Трехмерное ремоделирование хроматина в зародышевой линии модулирует эволюционную пластичность генома

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2608 (2022) Цитировать эту статью

4979 Доступов

5 цитат

86 Альтметрика

Подробности о метриках

Складывание хромосом оказывает глубокое влияние на регуляцию генов, эволюционные последствия которого еще далеки от понимания. Здесь мы исследуем связь между трехмерным ремоделированием хроматина в зародышевых клетках мыши и эволюционными изменениями в структуре генома. Используя комплексный интегративный компьютерный анализ, мы (i) реконструируем семь предковых геномов грызунов, анализируя полногеномные последовательности 14 видов представителей основных филогрупп, (ii) обнаруживаем специфичные для линии перестройки хромосом и (iii) идентифицируем динамику структурных и эпигенетические свойства эволюционных областей перелома (EBR) на протяжении сперматогенеза мышей. Наши результаты показывают, что EBR лишены запрограммированных двухцепочечных разрывов мейотической ДНК (DSB) и мейотических когезинов в первичных сперматоцитах, но связаны в постмейотических клетках с участками повреждения ДНК и функциональными областями дальнего взаимодействия, которые повторяют предковые хромосомные конфигурации. . В целом, мы предлагаем модель, которая объединяет эволюционную перестановку генома с механизмами реакции на повреждение ДНК и динамической пространственной организацией генома зародышевых клеток.

Раскрытие геномной основы видообразования является основным приоритетом исследований в биологии, чему способствует наличие беспрецедентно большого количества геномных ресурсов. Сравнительная геномика как близкородственных, так и отдаленно родственных видов млекопитающих показала, что геномные регионы, вовлеченные в структурные эволюционные изменения, группируются в регионах, более склонных к разрывам и реорганизации1,2,3,4. В этом контексте эволюционные области перелома (EBR) считаются геномными областями, участвующими в структурных эволюционных изменениях, которые нарушают геномные синтенные области1,2,3,4. В поисках происхождения и функциональных последствий этих эволюционных перестроек исследования указали на повторяющиеся элементы как на возможные движущие силы1,5,6, в то время как изменения в экспрессии генов, вызванные перетасовкой генома, могут обеспечить селективное преимущество за счет развития новых адаптивных признаков, специфичных для линии млекопитающих3,4,7,8,9. Учитывая разнообразие факторов, связанных с EBR, весьма маловероятно, что состав последовательностей геномов является исключительно ответственным за геномную нестабильность во время эволюции, и что регуляция трехмерного сворачивания генома также является критическим фактором8,10,11,12.

Геномы млекопитающих упакованы в структуру хроматина, регуляция которой зависит от нескольких наложенных друг на друга слоев организации, включая хромосомные территории, внутри которых хроматин организован в компартменты (открытые/закрытые), которые, в свою очередь, состоят из топологически связанных доменов (TAD) и ДНК. петли10,13,14. Характеристика того, как конформация хроматина и взаимодействия ДНК-белок развивались во время диверсификации млекопитающих, дает новую интерпретирующую гипотезу о механизме(ах), ответственном за происхождение архитектуры и пластичности генома10,15,16. Отдаленные локусы внутри генома регулирующим образом взаимодействуют в течение клеточного цикла12,14,15, влияя на их конечную функцию, тем самым создавая основу для изучения динамики состава генома, эволюционных отношений между видами и, в долгосрочной перспективе, видообразования. Эта точка зрения была объединена «Integrative Breakage Model», интерпретирующей эволюционной гипотезой, которая утверждает, что возможность реорганизации геномных регионов может определяться структурой хроматина более высокого порядка10,11.

Как и любое эволюционное изменение состояния, хромосомные реорганизации, возникающие в зародышевой линии до мейоза (пролиферация первичных половых клеток, сперматогонии и оогонии), во время мейотического деления (сперматоциты и ооциты) или на постмейотических стадиях (т. е. круглые сперматиды), могут передаваться последующим поколениям. В таких случаях хромосомные реорганизации могут уменьшить поток генов и потенциально способствовать видообразованию за счет подавления рекомбинации в реорганизованных регионах между хромосомно разными, но смежными популяциями16,17,18,19. Низкие уровни рекомбинации могут привести к высокой дивергенции и фиксации новых мутаций в этих регионах20, что в сочетании с наличием генов, связанных с видоспецифичным эволюционным давлением, может усилить адаптивную ценность EBR в зародышевой линии8. Теоретические работы предположили, что наследственные перестройки будут происходить в геномных регионах, доступных в зародышевых клетках и/или на ранних тотипотентных стадиях развития10, подчеркивая существование ограничивающей роли EBRs в зародышевой линии, которая требует дальнейшего изучения.

98% of the genome with at least 0.1% each. The trivalent state with all three histone marks (E6-E6-E6) was also included, representing a coverage of 0.029% of the mouse genome and making a total of 35 combinations studied (Fig. 2C, Supplementary Fig 6 and Supplementary Table 5)./p> 0.01, p < 0.05) with active or poised chromatin (Fig. 3A and Supplementary Fig 7). This association was stronger with states that transition to E6 and E8 in spermatids (normalised z-score > 0.05, p < 0.05), particularly with those EBRs that occurred in the mouse lineage, suggesting that EBRs occur in chromatin environments prone to rapid change during spermatogenesis./p> 0.01, p < 0.05) (Fig. 3A and Supplementary Fig 7). In particular, EBRs are associated with the ‘closed’ B compartment in pre-meiotic spermatogonia, but with the ‘open’ A compartment in meiotic spermatocytes and post-meiotic spermatids (Fig. 3B and Supplementary Fig 7). Consistent with this, EBRs are associated with ‘closed’ chromatin environments (E0, E4, E5) in spermatogonia and ‘open’ chromatin environments (E2, E6, E8) in both primary spermatocytes and round spermatids. At a finer structural level, too, EBRs are associated with regions that undergo structural remodelling, being associated with TAD boundaries in spermatogonia and spermatocytes, but located within TADs in round spermatids (Fig. 3B and Supplementary Fig 7). Although EBRs were associated with TSS, these regions do not present high levels of expression in spermatogonia but are expressed more highly in round spermatids (Mann–Whitney test, p < 2.2e−16) (Supplementary Fig 8). Overall, our results suggest that EBRs localise preferentially in genomic regions that become accessible as spermatogenesis progresses. Furthermore, evolutionary rearrangements should not disrupt TAD structures in spermatogonia or spermatocytes but may do so in round spermatids./p> 1.3 are shown, ES is based on a FDR adjusted P value (Fisher’s exact test, two-sided). Abbreviations – EBRs evolutionary breakpoint regions, LRIs long-ranged interactions, GO gene ontology, FPKM fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped./p> 1.3, see Methods) for genes related with sensory perception (ES = 13.6), lipid biosynthesis and gluconeogenesis (ES = 6.27), oxido-reduction processes (ES = 6.97), response to cytokines (ES = 1.94) and phagocytosis (ES = 1.74) (Supplementary Data 1). Additionally, 33% of these genes were members of relevant superfamilies, such as serpines, zinc finger proteins, olfactory receptors and vomeronasal receptors. Considering differentially expressed genes (DEG) in spermatids when compared to spermatogonia, primary spermatocytes and sperm, GO terms in intra-LRIs were narrowed down to signal transduction, ubiquitinization and chemotaxis, all important biological processes related to spermatogenesis (Fig. 4)./p>3, see Methods) of intra-LRIs with genomic regions located in other chromosomes (genome-wide approach). As such, we detected the presence of 119 spermatid specific inter-LRIs involving different mouse chromosomes (i.e., multiple interactions) (Fig. 4 and Supplementary Data 2). Out of the total 864 genes contained in inter-LRIs, 71% were protein-coding genes, 12% pseudogenes, 9% ncRNAs and 7% long non-coding RNAs. As for GO terms, we detected enrichment (p-value < 0.05 and ES > 1.3, see Methods) for genes associated with negative regulation of peptidase activity (ES = 2.8), G-protein coupled receptor signalling pathway (ES = 2.4), phagocytosis (ES = 2.04), response to cytokines (ES = 1.81), complement activation (ES = 1.68) and arachidonic acid metabolic process (ES = 1.5) (Supplementary Data 3). In contrast to intra-LRI, where 11% (n = 77) of the containing genes were DEG, the percentage of DEGs within inter- LRIs increased up to 48.5% (n = 419), being genes mainly related with cell surface receptor signalling pathway (ES = 1.66) and translation (ES = 1.39) (Fig. 4)./p> 1.3) for genes associated with response to pheromone (ES = 8.06), epoxygenase P450 pathway (ES = 7.12) and sensory perception of smell (ES = 2.75), including vomeronasal and olfactory receptors. Additionally, exocrine-gland-secreting peptide family genes (5%)38 and Pramel genes39 were only present in evolutionary LRIs when compared to LRIs not involved in ancestral chromosomal configurations./p> 3 Mbp (Supplementary Table 1), and two mammalian outgroup species (human and rabbit) were used to generate pairwise alignments with the mouse genome (mm10) using LASTZ with default parameters. LASTZ alignments were converted into chain and net files using Kent toolbox utilities using the parameters -minScore = 1000, -linearGap = medium, C = 0, E = 30, K = 3000, L = 3000, O = 400. The Y chromosome was omitted due to the difficulty in assembling it to a sufficient degree of quality, enrichment of repeats and palindromes in the chromosome50. The coverage of nets of each species was calculated against mm10 to minimise the potential fragmentation introduced into the reconstruction of the ancestral karyotypes./p>98% of the mm10 genome./p>

3./p> 1.3 as default parameter67./p>