【学术前沿】Cell Discovery | 赵允/周金秋合作揭示染色体融合导致的染色体领域变化对…

在真核生物细胞核内，每条染色质占领特定区域并与其他染色体相对分离，这一细胞核区室化现象被称为染色体领域（Chromosome territory）【1】。之前的研究表明，同一类型细胞染色质空间位置具有一定的相似性，而不同类型的细胞染色体相对位置不同，并且这种核内相对位置的变化可能参与调控基因表达【2-6】。然而，染色质如何在核内选择特异定位及发生移动的机制并不清楚，其在细胞核内的空间位置及三维结构对细胞核功能及基因表达调控的影响也不明确。

近些年在单细胞生物体中的报告揭示，尽管在酿酒酵母和裂殖酵母中进行大量的人工染色体工程会导致酵母基因组的实质性重组，但仅导致基因表达的微小变化，也不会出现细胞功能缺陷【7-9】。这表明真核生物中的基因组结构是高度弹性的，并且染色体领域可能源于在几何约束下被动地组织于有限体积的细胞核中。然而在更复杂的多细胞真核生物如哺乳动物的细胞核内，染色质是否具有相同的结构可塑性尚不清楚。

2023年1月24日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心赵允（中国细胞生物学学会细胞信号转导分会委员）及周金秋研究员合作在Cell Discovery发表论文题为Chromosome territory reorganization through artificial chromosome fusion is compatible with cell fate determination and mouse development，人工改造了小鼠单倍体胚胎干细胞(haESCs)的基因组结构及染色体领域，并建立了相关的小鼠模型，揭示了极端的染色体结构变化对细胞多能性、细胞命运决定和小鼠个体发育的影响。

研究人员在小鼠单倍体胚胎干细胞中利用CRISPR-Cas9技术针对15号染色体的端粒区域和17号染色体的着丝粒区域进行靶向切割，两条染色体通过非同源性末端接合（Non-homologous end joining，NHEJ）进行融合，获得了携带融合染色体的单倍体胚胎干细胞。

染色体融合导致15号染色体在核内的空间位置明显变化，其原本的染色体领域相对位置发生明显改变。出乎意料的是，这种改变并未干扰拓扑结构域 (Topologically associating domains, TADs) 的边界分布，也未对基因表达及胚胎干细胞的多能性产生明显影响。

图1. 染色体融合导致染色体领域发生显著改变，但对TADs边界及基因表达无明显影响

利用单倍体胚胎干细胞具有“人造精子”的特性，将核型改变的haESCs注射进入小鼠卵母细胞“受精”，将体外发育的胚胎植入代孕母鼠子宫内，研究者成功获得染色体融合的杂合小鼠（2n=39），并通过连续杂交获得了染色体融合的纯合小鼠（2n=38），携带融合染色体的杂合及纯合小鼠均是可育的，并且虽然染色体领域的相对位置在个体组织和器官中发生了变化，这些小鼠的代表性组织和器官的发育都没有异常。

该研究结果表明，与低等真核生物一样，哺乳动物的染色体结构具有高度的弹性，并且在小鼠细胞分化、器官发生和个体发育及生殖过程中，染色体融合导致的染色体领域变化是可以耐受的。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41421-022-00511-1

参考文献

1 Meaburn, K. J. & Misteli, T. Cell biology: chromosome territories. Nature 445, 379-781, doi:10.1038/445379a (2007).

2 Stevens, T. J. et al. 3D structures of individual mammalian genomes studied by single-cell Hi-C. Nature 544, 59-64, doi:10.1038/nature21429 (2017).

3 Croft, J. A. et al. Differences in the localization and morphology of chromosomes in the human nucleus. J Cell Biol 145, 1119-1131, doi:10.1083/jcb.145.6.1119 (1999).

4 Tanabe, H. et al. Evolutionary conservation of chromosome territory arrangements in cell nuclei from higher primates. Proc Natl Acad Sci U S A 99, 4424-4429, doi:10.1073/pnas.072618599 (2002).

5 Branco, M. R. & Pombo, A. Intermingling of chromosome territories in interphase suggests role in translocations and transcription-dependent associations. PLoS Biol 4, e138, doi:10.1371/journal.pbio.0040138 (2006).

6 Cremer, M. et al. Non-random radial higher-order chromatin arrangements in nuclei of diploid human cells. Chromosome Res 9, 541-567, doi:10.1023/a:1012495201697 (2001).

7 Luo, J., Sun, X., Cormack, B. P. & Boeke, J. D. Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast. Nature 560, 392-396, doi:10.1038/s41586-018-0374-x (2018).

8 Shao, Y. et al. Creating a functional single-chromosome yeast. Nature 560, 331-335, doi:10.1038/s41586-018-0382-x (2018).

9 Gu, X. et al. Single-chromosome fission yeast models reveal the configuration robustness of a functional genome. Cell Reports 40, 111237, doi:https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111237 (2022).

原标题：《【学术前沿】Cell Discovery | 赵允/周金秋合作揭示染色体融合导致的染色体领域变化对细胞功能及小鼠发育的影响》

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