近日，華中農業大學水產學院李大鵬教授科研團隊與奧地利維也納大學、福建師范大學和云南農業大學合作，從染色體層面解析了大刺鰍（Mastacembelus armatus）基因組，對性染色體的起源及重組抑制進行了相關研究，構建了魚類Y染色體完整圖譜，提出了動物性染色體近著絲粒起源的假說，為性染色體起源的研究提供了新線索。
眾所周知，性染色體的起源需要在原性染色體之間建立重組抑制。在許多魚類中，性染色體對是最近起源的同態染色體。要研究重組抑制是如何以及為什么在性染色體早期分化階段發生的，就需要合適的研究物種及其高完整度的基因組。大刺鰍隸屬于合鰓目（Symbranchiformes）刺鰍屬（Mastacembelus）刺鰍科（Mastacembelus），是我國南方部分地區重要的野生魚類，具有很高的開發前景和生態價值?？蒲袌F隊近年進行了該物種的人工繁育和性別分化等相關研究，經過多世代的跟蹤研究，首次發現了該物種的間性群體，陸續開展了大刺鰍性別連鎖區域的挖掘和分子標記開發及性染色體解析等基礎研究。
單倍型基因組的組裝
核型和著絲粒的鑒定
本研究結合三代測序獲取的約30G的高保真序列和Hi-C數據，組裝獲得大刺鰍的基因組序列，其可獨立產生兩個染色體水平的單倍體基因組hap-X和hap-Y。完成了著絲粒衛星的基因組和細胞遺傳學鑒定，利用基因組獲取兩個衛星序，單體長度分別為524（CEN-524）和190bp（Tel-190），Cen-524驗證為候選著絲粒衛星，利用熒光原位雜交對Cen-524和Tel-190探針進行雜交發現它們在染色體上的位置與基因組序列組裝基本一致。
研究分析發現年輕的性染色體。Y染色體上的（~7 Mb）性連鎖區（sex-linked region，SLR）序列與假常染色體區（PAR）或常染色體相比，顯示出高密度的雄性特異性突變。據此推測SLR跨越著絲粒，染色體的兩端是PAR。這表明，物理上靠近著絲粒的位置可能是SLR缺乏重組的原因。在R1和R2中，X-Y序列差異接近1%，表明是最近的起源。大部分SLR在X和Y染色體上都有高密度的重復序列，性染色體對的整個短臂，包括X和Y染色體的著絲粒區域，具有異染色質的典型特征，包含大量的H3K9me3修飾。由于短臂異染色質位于著絲粒附近，推測短臂異染色質可能起源于著絲粒周圍異染色質（PCH）。
檢測雄性、雌性以及間性個體的性腺中SLR基因的表達譜，獲得兩個特異性表達的基因SYCE3和HMGN6。SYCE3可能參與成熟睪丸的精子發生或其他生物學過程，而HMGN6是指導睪丸發育的性別決定候選基因。SYCE3和HMGN6都位于R1，SYCE3非常接近SLR和PAR的邊界。性連鎖區域的鑒定
性連鎖區域的鑒定
科研人員在研究中揭示了著絲粒周圍存在廣泛異染色質區。著絲粒周圍的區域（~4 Mb）具有較高的重復序列（通常高于50%）、較低的基因密度、較低的重組率和更頻繁的H3k9me3修飾，與PCH一致。大多數PCH長約4.2 Mb，其大小僅與染色體大小呈弱相關且不顯著，因此較小的染色體，特別是端著絲粒和近中著絲粒染色體，具有較大比例的PCH，包括XY染色體。在著絲粒周圍區域，物理距離較遠的染色質相互作用更為頻繁，符合其較高的折疊和壓縮程度特征。著絲粒周圍區域比其他區域有更大比例的高表達水平和寬度的基因，H3K9me3在基因抑制中的作用有限，可能存在其他表觀遺傳修飾調節PCH中的基因表達。
該研究成果于7月12日以“Telomere-to-telomere assembly of a fish Y chromosome reveals the origin of a young sex chromosome pair”為題在線發表在Genome Biology期刊上。論文第一作者為我校水產養殖專業博士研究生薛凌展。
【英文摘要】
Background：The origin of sex chromosomes requires the establishment of recombination suppression between the proto-sex chromosomes. In many fish species, the sex chromosome pair is homomorphic with a recent origin, providing species for studying how and why recombination suppression evolved in the initial stages of sex chromosome differentiation, but this requires accurate sequence assembly of the X and Y （or Z and W） chromosomes, which may be difficult if they are recently diverged.
Results：Here we produce a haplotype-resolved genome assembly of zig-zag eel （Mastacembelus armatus）， an aquaculture fish, at the chromosomal scale. The diploid assembly is nearly gap-free, and in most chromosomes, we resolve the centromeric and subtelomeric heterochromatic sequences. In particular, the Y chromosome, including its highly repetitive short arm, has zero gaps. Using resequencing data, we identify a ~7 Mb fully sex-linked region （SLR）， spanning the sex chromosome centromere and almost entirely embedded in the pericentromeric heterochromatin. The SLRs on the X and Y chromosomes are almost identical in sequence and gene content, but both are repetitive and heterochromatic, consistent with zero or low recombination. We further identify an HMG-domain containing gene HMGN6 in the SLR as a candidate sex-determining gene that is expressed at the onset of testis development.
Conclusions：Our study supports the idea that preexisting regions of low recombination, such as pericentromeric regions, can give rise to SLR in the absence of structural variations between the proto-sex chromosomes.
論文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02430-y
日期：2021-07-14
眾所周知，性染色體的起源需要在原性染色體之間建立重組抑制。在許多魚類中，性染色體對是最近起源的同態染色體。要研究重組抑制是如何以及為什么在性染色體早期分化階段發生的，就需要合適的研究物種及其高完整度的基因組。大刺鰍隸屬于合鰓目（Symbranchiformes）刺鰍屬（Mastacembelus）刺鰍科（Mastacembelus），是我國南方部分地區重要的野生魚類，具有很高的開發前景和生態價值?？蒲袌F隊近年進行了該物種的人工繁育和性別分化等相關研究，經過多世代的跟蹤研究，首次發現了該物種的間性群體，陸續開展了大刺鰍性別連鎖區域的挖掘和分子標記開發及性染色體解析等基礎研究。
單倍型基因組的組裝
核型和著絲粒的鑒定
本研究結合三代測序獲取的約30G的高保真序列和Hi-C數據，組裝獲得大刺鰍的基因組序列，其可獨立產生兩個染色體水平的單倍體基因組hap-X和hap-Y。完成了著絲粒衛星的基因組和細胞遺傳學鑒定，利用基因組獲取兩個衛星序，單體長度分別為524（CEN-524）和190bp（Tel-190），Cen-524驗證為候選著絲粒衛星，利用熒光原位雜交對Cen-524和Tel-190探針進行雜交發現它們在染色體上的位置與基因組序列組裝基本一致。
研究分析發現年輕的性染色體。Y染色體上的（~7 Mb）性連鎖區（sex-linked region，SLR）序列與假常染色體區（PAR）或常染色體相比，顯示出高密度的雄性特異性突變。據此推測SLR跨越著絲粒，染色體的兩端是PAR。這表明，物理上靠近著絲粒的位置可能是SLR缺乏重組的原因。在R1和R2中，X-Y序列差異接近1%，表明是最近的起源。大部分SLR在X和Y染色體上都有高密度的重復序列，性染色體對的整個短臂，包括X和Y染色體的著絲粒區域，具有異染色質的典型特征，包含大量的H3K9me3修飾。由于短臂異染色質位于著絲粒附近，推測短臂異染色質可能起源于著絲粒周圍異染色質（PCH）。
檢測雄性、雌性以及間性個體的性腺中SLR基因的表達譜，獲得兩個特異性表達的基因SYCE3和HMGN6。SYCE3可能參與成熟睪丸的精子發生或其他生物學過程，而HMGN6是指導睪丸發育的性別決定候選基因。SYCE3和HMGN6都位于R1，SYCE3非常接近SLR和PAR的邊界。性連鎖區域的鑒定
性連鎖區域的鑒定
科研人員在研究中揭示了著絲粒周圍存在廣泛異染色質區。著絲粒周圍的區域（~4 Mb）具有較高的重復序列（通常高于50%）、較低的基因密度、較低的重組率和更頻繁的H3k9me3修飾，與PCH一致。大多數PCH長約4.2 Mb，其大小僅與染色體大小呈弱相關且不顯著，因此較小的染色體，特別是端著絲粒和近中著絲粒染色體，具有較大比例的PCH，包括XY染色體。在著絲粒周圍區域，物理距離較遠的染色質相互作用更為頻繁，符合其較高的折疊和壓縮程度特征。著絲粒周圍區域比其他區域有更大比例的高表達水平和寬度的基因，H3K9me3在基因抑制中的作用有限，可能存在其他表觀遺傳修飾調節PCH中的基因表達。
該研究成果于7月12日以“Telomere-to-telomere assembly of a fish Y chromosome reveals the origin of a young sex chromosome pair”為題在線發表在Genome Biology期刊上。論文第一作者為我校水產養殖專業博士研究生薛凌展。
【英文摘要】
Background：The origin of sex chromosomes requires the establishment of recombination suppression between the proto-sex chromosomes. In many fish species, the sex chromosome pair is homomorphic with a recent origin, providing species for studying how and why recombination suppression evolved in the initial stages of sex chromosome differentiation, but this requires accurate sequence assembly of the X and Y （or Z and W） chromosomes, which may be difficult if they are recently diverged.
Results：Here we produce a haplotype-resolved genome assembly of zig-zag eel （Mastacembelus armatus）， an aquaculture fish, at the chromosomal scale. The diploid assembly is nearly gap-free, and in most chromosomes, we resolve the centromeric and subtelomeric heterochromatic sequences. In particular, the Y chromosome, including its highly repetitive short arm, has zero gaps. Using resequencing data, we identify a ~7 Mb fully sex-linked region （SLR）， spanning the sex chromosome centromere and almost entirely embedded in the pericentromeric heterochromatin. The SLRs on the X and Y chromosomes are almost identical in sequence and gene content, but both are repetitive and heterochromatic, consistent with zero or low recombination. We further identify an HMG-domain containing gene HMGN6 in the SLR as a candidate sex-determining gene that is expressed at the onset of testis development.
Conclusions：Our study supports the idea that preexisting regions of low recombination, such as pericentromeric regions, can give rise to SLR in the absence of structural variations between the proto-sex chromosomes.
論文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02430-y
日期：2021-07-14
