2月10日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)李劲松研究组的最新研究成果: “Visualization of chromosomal reorganization induced by heterologous fusions in the mammalian nucleus”。研究人员通过将bulk Hi-C数据转化为Khimaira Matrix，并利用其对基因组进行3D建模，揭示了染色体融合后染色体的移动是平行于核周的，以保证基因组A/B区室和表达谱的稳定分布。此外，通过对自然界获得的染色体融合小鼠进行分析，发现了由染色体融合带来的基因组结构变化能够在自然选择的条件下被逐渐积累。
在哺乳动物细胞核内，来源于不同染色体的线性DNA大分子会通过折叠形成染色体结构域（chromosome territories），并在核内占据特定的位置。阐明核内染色体的结构与分布对理解其功能至关重要，这些功能包括DNA修饰与修复，以及基因转录活性的调控。近年来，随着技术的进步，如多染色体FISH和Hi-C技术的迭代，学界对核内基因组结构的理解显著提升。但是仍有很多十分关键的问题尚未得到解决，其中之一就是核内的基因组结构是如何分布和形成的，以及基因组结构是如何行使其功能的。
早在2022年，李劲松研究组报道了利用类精子干细胞介导半克隆技术，通过CRISPR/Cas9靶向染色体重复序列实现小鼠染色体融合改造，建立全新的稳定传递的染色体改造纯和小鼠品系，揭示了染色体融合的机制，并提示真核生物基因组组装的系统稳健性（Robustness）是染色体演化的重要基础。该研究也为哺乳动物进行染色体结构的改造、动物新核型亚种的创造以及染色体结构变异疾病的模拟提供了可行的技术路线，开启了以小鼠为代表的哺乳动物染色体遗传改造的新领域。
基于上述成果，在这次的研究过程中，研究团队希望通过对染色体融合后基因组结构的变化，尤其是染色体核内的空间分布，来进一步解释染色体是如何才能形成稳定而又灵活的高级结构。然而，目前的研究表明染色体在核内的分布呈一定的非随机性，这也就导致多染色体FISH，单细胞Hi-C和bulk Hi-C的应用都有一定的局限性。因此，李劲松团队开发了将bulk Hi-C数据转化为具有一定单细胞特质的Genome Khimaira Matrix (K-matrix)的算法。通过与bulk Hi-C和单细胞Hi-C数据的相关性分析表明，Khimaira Matrix既能够保持与bulk Hi-C的高度相似性，又具备一定的单细胞Hi-C异质性。进一步利用Khimaira Matrix对基因组进行3D建模，他们发现这些模型都能够很好地展示出融合染色体之间的相互靠近，以及A/B区室在核内的辐射分布。
基于此，通过计算基因组3D模型中染色体之间的距离，研究团队发现染色体融合仅能够使得核内部分染色体之间的距离发生变化，主要是发生在融合的染色体与未发生融合的染色体之间。而未发生融合的染色体之间则保持很高的稳定性。这些结果都支持了核内染色体在核内分布呈一定的非随机性这一观点。其次，团队又开发了分层解析算法对核内染色体的辐射分布进行计算，结果表明染色体在融合后并不影响染色体的辐射分布。这也就反应出染色体融合导致进行融合的染色体是平行于核周而移动的，而非垂直于核周，进而使得基因组A/B区室和转录组的分布能够在染色体融合后保持稳定。除此之外，团队也发现染色体融合对不同细胞类型的影响不同，可能是由于不同细胞类型具有不同的基因组结构造成的。
更进一步对多染色体融合细胞系进行基因组结构建模，团队发现其算法能够有效的展示出所有融合事件，并且染色体之间距离的改变也大多发生在融合染色体和非融合染色体之间。但是，尽管随着染色体融合数目的增加，差异基因的数目也有一定的增加，但是A/B区室和转录组的辐射状分布仍然得以很好的保持。与实验室得到的染色体融合小鼠不同，团队最后发现在自然界获得的染色体融合小鼠的成纤维细胞中，第6和第18染色体在核内的分布上与对照C57有较大差异，这也就表明在自然选择的过程中，由染色体融合带来的基因组结构变化会被逐渐的积累和保存下来。
分子细胞卓越中心晏萌博士和张晓宇博士为该文共同第一作者。分子细胞卓越中心晏萌博士和李劲松研究员为该论文的共同通讯作者。该项研究得到了基因组标签计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科学技术重大专项和上海市科学技术委员会基础研究重大专项的资助，以及分子细胞卓越中心分子生物学技术平台、细胞分析技术平台和动物实验技术平台的帮助与支持。
染色体融合后染色体在核内位置的改变
a， K-matrix方法图示；b，chr1和chr13在融合细胞R1n13的模型中相互接近，以及表达谱和A/B区室的分布；c，分层解析算法图示；d，在R1n13中，染色体在融合后并未发生明显变化，而在T45中观察到融合染色体的极性定位发生一定改变。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55582-3
