Nat Commun | 西工大/昆动王文教授团队揭示基因组重排介导的蝴蝶3D染色质结构演化模式和功能效应
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科学
2024-07-28 10:41
湖北
自达尔文时代以来，蝴蝶奇妙多样的形态特征一直是生态学和演化生物学不可或缺的一部分。先前的研究表明，大多数蝴蝶基因组核型为2n=60。然而，初步调查后发现青凤蝶（Graphium）存在显着的核型变异（从2n=30到40和60），表明该属蝴蝶经历了广泛的染色体重排，尤其是融合。此外，之前的C值估计显示，与其它蝴蝶相比，青凤蝶的基因组大小要大得多。所有这些线索都表明，青凤蝶经历了广泛的基因组重排，这可能对3D染色质结构图谱产生相当大的影响。此外，众所周知，脊椎动物中几乎没有染色体间3D染色质相互作用，包括拓扑关联域（TADs）、subTADs和loop环。研究者最近对麂子鹿（一种具有密集染色体融合的哺乳动物群体）的研究表明，通常哺乳动物之间不同的3D染色质结构是保守的，但染色体重排会导致断点区域周围的更多3D染色质改变，并且可能在麂子鹿的演化和适应中产生一些生物学效应。然而，在昆虫中，在具有相似核型和很少基因组重排的双翅目物种中，3D染色质结构的跨物种比较受到限制，它们在不同昆虫科中的演化模式在很大程度上是未知的。因此，青凤蝶是研究昆虫3D染色质结构演化模式和生物学效应的绝佳模型。
2024年7月26日，西北工业大学/中国科学院昆明动物研究所王文教授团队在国际著名期刊《Nature Communications》上在线发表了题为“Evolutionary patterns and functional effects of 3D chromatin structures in butterflies with extensive genome rearrangements”的研究论文。该研究获得了核型不同的四种蝴蝶的染色体水平参考基因组，结合大规模的Hi-C数据，详细研究了昆虫中3D染色质结构的演化模式，伴随着在Compartment、TAD、subTAD和染色质环水平的密集基因组重排。![]()
该研究以四种凤蝶科蝴蝶为研究对象，采用PacBio HiFi+Hi-C的策略生成了Papilio bianor、Graphium eurypylus、Graphium sarpedon、Graphium cloanthus染色体水平参考基因组，组装的基因大小和Contig N50分别为528Mb和11.56Mb、1227Mb和3.76Mb、885Mb和10.91Mb、1107Mb和4.71Mb。组装的基因组大小与我们之前研究中报告的流式细胞术估计一致，QV评估值表明碱基准确度非常高。这些基因组组装的高质量和连续性不仅体现在其高QV上，还体现在高基准BUSCO值（94.4%–98.5%）上。此外，新组装的P. bianor基因组的30条染色体中有12条没有间隙，处于T2T组装水平。通过与P. bianor基因组的全基因组比对，分析了Graphium中发生的染色体重排事件。染色体共线性比较显示，G. eurypylus和P. bianor之间几乎没有染色体重排，这与它们具有相同染色体数的事实一致。相比之下，Graphium属之间的基因组共线性分析显示它们之间存在许多基因组重排。为了研究蝴蝶的3D染色质结构，研究利用大规模Hi-C数据为四种蝴蝶构建了高分辨率的全基因组染色质相互作用图谱。研究为4个蝴蝶分别生成了177~415 Gb Hi-C数据，并定位到相应的基因组上，分别在Comparements、TAD、subTAD 和loop环的水平上探索3D染色质结构。研究观察到青凤蝶的3D染色质结构长度（TAD为40kb）与之前对双翅目物种的研究（TAD为5 kb）显著不同，这可能归因于四种蝴蝶物种的基因组大小较大。先前的研究表明Compartment结构在进化过程中是相当保守的。随后，研究通过分析G. sarpedon和G. cloanthus染色体间融合位点两侧基因的区室类型，并将其与G. eurypylus中相应同源基因的区室类型进行比较，研究发现染色体间融合位点附近同源基因的区室类型保守性大致相当于（~90%）同源基因的区室类型在整个基因组中的总体保守水平。这些结果表明，Compartment状态几乎没有受到染色体间重排的影响。研究同时比较了 G. sarpedon和G. cloanthus的 TADs、subTADs 和染色体融合位点周围的loop环与G. eurypylus的相应区域。结果发现，G. sarpedon和G. cloanthus的染色体间重排位点（RS）均位于G. eurypylus的端粒或TAD边界，而 G. eurypylus没有观察到跨越这些区域的染色质环。这些发现表明，染色体间融合几乎不会破坏祖先染色体预先存在的3D染色质结构。然而，研究观察到在重排基因组中的一些染色体间RS上出现了TAD甚至subTADs。
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图3 基因组重排对3D染色质结构的影响
接下来，研究分别在G. sarpedon和G. cloanthus中鉴定了66个和69个长程（>100 kb）染色体重排，观察到TE介导的三种青凤蝶基因组扩增之间存在显着相关性，与P. bianor相比，TADs和subTADs的平均长度和数量增加，以及TADs和subTADs的平均长度和数量增加。因此，研究从两个方面比较了染色体内重排对3D染色质结构的影响：长程（>100 kb）染色体重排（包括倒置和易位）和TE插入。结果发现，大染色体内RSs周围区室的保守水平与全基因组的平均区室保守水平（~90%）相当，与染色体间重排一致。蝴蝶基因组中存在广泛的 TE 插入，研究探索了由TE插入引起的重排。结果发现，G. eurypylus、G. sarpedon和G. cloanthus中Compartments A内TADs 和subTADs长度变化的比例小于染色体大小的比例，表明它们在A区室中受到更强烈的约束。与此一致，我们观察到A区间连续区域的 3D结构具有更高水平的一致性。相比之下，3种青凤蝶中“A到B”和“B到B”型转变中涉及的TADs和subTADs的长度变化比例均高于染色体大小的比例。一个值得注意的例子是，通过比较 P. bianor 的3D染色质结构，研究发现TE插入介导的染色体重排在三种青凤蝶的B区室中形成了一个新的TAD。有趣的是，一个重要的基因，果聚糖果糖转移酶（lft），它调节昆虫翅膀的TOR信号，位于这些转换区室中。因此，区室转变可能导致lft基因在三种青凤蝶中表达更高（RNA-seq数据指示）。该案例表明，TE插入可以诱导区室转换并改变TADs，从而调控基因表达。
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图4 TE插入改变3D染色质结构
Hox基因在生物体的发育中起着至关重要的作用。然而，很少有研究调查了Hox基因3D染色质结构的物种差异。本研究最后比较了蝴蝶和果蝇中Hox基因周围的3D染色质结构，结果发现，四种蝴蝶的Hox基因簇位于单个TAD内，而在果蝇中，它们由9.6 Mb插入引起两个TADs分离，形成Bithorax复合位点（BX-C）和 Antennapedia复合位点（ANT-C）。此外，研究在蝴蝶中发现了许多BX-C和ANT-C位点之间的染色质环，而在果蝇中没有观察到BX-C和ANT-C位点之间的染色质环。研究结合ATAC-seq、RNA-seq数据结果，对CRE和转录因子进行预测，发现在BX-C位点的四个染色质环的一侧内，只有一个CTCF结合位点在CRE 1，随后对该位点进行了基因敲除等功能实验验证。这些结果表明，BX-C和ANT-C复合物之间的染色质环在蝴蝶表型的发育中具有重要的调控功能，Hox 3D染色质结构的变化可以影响昆虫分类群的形态进化。总的来说，本研究构建了四种凤蝶属的高质量参考基因组，并生成了大规模的Hi-C数据，结合ATAC-seq和RNA-seq多组学数据，揭示了基因组重排引起的3D染色质结构改变进而影响基因表达调控，证明了染色体重排引起的3D染色质结构改变在动物性状进化中起着重要作用。这些发现强调了3D染色质结构在生物体进化中的重要性，为未来的进化遗传学研究探索了新的方向。西北工业大学生态与环境学院周博童博士和中国科学院昆明动物研究所胡平博士、刘贵春博士为该论文共同第一作者，西北工业大学/中国科学院昆明动物研究所王文教授和中国科学院昆明动物研究所李学燕副研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、云南省科技厅人才计划项目、生态环境部生物多样性保护等项目的资助。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50529-0
