研究揭示麂属动物染色体融合的分子机制及其基因组三维构象的演化

  麂属动物是鲸偶蹄目、反刍亚目、鹿科、麂亚科下的一类哺乳动物,属内各物种间差异巨大的染色体数目而受到生物学家关注,是研究哺乳动物成种机制和染色体演化的优异模型。小麂、黑麂是我国特有的物种,黑麂和贡山麂是我国重点保护野生动物。黑麂和贡山麂都有8条(雌性)和9条(雄性)染色体,它们的核型却不相同,而小麂有46条染色体。自20世纪80年代,我国学者对多种麂属动物染色体开展了长期研究,发现其多变的染色体数目和核型是由鹿科祖先染色体(2n=70)反复串联融合而来,但反复串联融合的分子机制尚不清楚。此外,由于常染色体和性染色体发生融合,伴随倒位等染色体变异事件,黑麂演化出一对新性染色体(neo-sex chromosomes),这是哺乳动物中迄今发现的最年轻的新性染色体,使其成为研究哺乳动物性染色体演化的重要模型。

  中国科学院院士、动物研究所研究员魏辅文团队联合西北工业大学教授王文团队、浙江大学教授周琦团队,以及国内的科研与保护机构,测序组装了具有祖先核型的獐(2n=70)、小麂(2n=46)、雌性和雄性黑麂(2n=8/9)的染色体水平基因组,以及黑麂最近缘物种贡山麂的草图基因组。全基因组比对分析证实染色体融合是导致麂属染色体数目在种间剧烈变化的主要重排类型。经过比较基因组分析发现,黑麂和贡山麂在1.44百万年前产生分化。种群历史动态分析发现黑麂、赤麂和贡山麂在聂聂雄拉冰期期间种群数量明显降低,而同时期小麂种群数量没有下降,研究推测由冰期引发的遗传漂变和地理隔离加速麂属物种染色体融合的固定(图1)。

  该研究阐明了由一个复杂重复序列结构介导的染色体串联融合机制。该重复序列结构包含一个短的端粒类似序列,两侧有回文序列,再两侧分别是鹿科I类和IV类卫星序列(图2)。研究比较獐、小麂和黑麂的染色体数目呈阶梯变化的物种基因组三维构象发现,尽管它们的染色体数目差异巨大,但在染色体区室(compartment A/B)层面相差甚小,表明染色体剧烈演化对这些物种大尺度三维构象的影响很小。另外,研究比较neo-X和neo-Y倒位区的多种序列特征发现,在neo-Y倒位区聚集了大量染色质构象的转换(compartment switch),且这些转换已影响其内部基因表达的水平。相比之下,拓扑相关域则在neo-Y倒位区内仍保持稳定。这些结果提示,早期Y染色体在大尺度染色质结构上可能发生基因表达的改变,随后才跟随基因的退化和剂量补偿效应的出现。

  11月25日,相关研究成果以Molecular mechanisms and topological consequences of drastic chromosomal rearrangements of muntjac deer为题,在线发表在Nature Communications上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项(B类)、西北工业大学专项经费、钱江源国家公园,以及生态环境部生物多样性调查、观测与评估等的支持。

  论文链接 

图1.麂属物种系统发育关系、种群历史动态、物种分布及基因组共线性。a:麂属物种系统发育关系,箭头表示染色体重排事件,蓝色数字表示物种分歧时间;b:麂属物种种群历史动态(MCR:黑麂、MGO:贡山麂、MMU:赤麂、MRE:小麂);c:麂属物种分布图;d:牛、獐、小麂、雌性和雄性黑麂基因组共线性图谱

图2.麂属动物染色体融合的分子基础。a、一类卫星序列和端粒序列距离大于或小于500bp的两种三代reads在各物种内的比例(EDA:獐、MRE:小麂、MCR:黑麂、MGO:贡山麂);b、各物种内,包含不同卫星序列和端粒序列的三代reads随端粒序列长度的密度分布;c、包含不同卫星序列和端粒序列的三代reads在各物种内所占的数量比例;d、推测的短端粒类似序列介导染色体融合的分子机制

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