水生所與華中農(nóng)大合作揭示初發(fā)X/Y性染色體的起源及其演化機制
近日，中國科學院水生生物研究所桂建芳院士團隊與華中農(nóng)大水產(chǎn)學院梅潔教授團隊合作，在性別可塑性魚類中揭示初發(fā)性染色體通過常染色體間的融合以及染色質(zhì)重構(gòu)驅(qū)動X/Y性染色體起源的演化機制。相關(guān)研究成果以“Origin and chromatin remodelling of young X/Y sex chromosomes in catfish with sexual plasticity”為題在線發(fā)表在National Science Review。
性染色體由于其特殊且多樣的演化軌跡，一直是演化生物學和發(fā)育生物學令人著迷的研究熱點。不同于哺乳動物和鳥類存在明顯分化的異型性染色體，多數(shù)魚類的性染色體仍處于演化的早期階段，目前只有不到1%的硬骨魚類中觀察到存在異型性染色體，這也使得魚類擁有多樣的性別決定機制，包括遺傳性別決定（GSD）、環(huán)境性別決定（ESD）和GSD+ESD，表現(xiàn)出非凡的性別可塑性。然而，目前大多數(shù)性染色體的研究聚焦于異型性染色體，同時準確區(qū)分并組裝出分化程度較低的X和Y染色體存在較大難度，這使得驅(qū)動“年輕”性染色體重組抑制的建立以及性染色體可塑性的機制目前尚不清晰。黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）為鲇形目（Siluriformes）鲿科（Bagridae）魚類，表現(xiàn)為相對穩(wěn)定的遺傳性別決定類型，人工誘導性逆轉(zhuǎn)促使黃顙魚對環(huán)境因素（溫度）比較敏感，高溫能壓倒遺傳性別決定的作用；這使得黃顙魚成為研究魚類遺傳性別決定與環(huán)境性別決定的關(guān)聯(lián)及其調(diào)控機制的理想模型(Science China Life Sciences, 2020, 63:157-159)。研究團隊經(jīng)過多年合作，通過遺傳和溫度性別決定的轉(zhuǎn)換機制創(chuàng)制了黃顙魚XX偽雄魚和全雌配套系，為黃顙魚性控育種提供了育種材料 (Aquaculture, 2022, 560:738471)。
研究團隊在前期培育出YY超雄黃顙魚的基礎上，對XX和YY黃顙魚進行了測序組裝，成功得到了高質(zhì)量的X和Y染色體序列并定位到了約300 kb的性別決定區(qū)域（SDR）。通過對X和Y染色體進行比較分析，發(fā)現(xiàn)黃顙魚的X和Y染色體的序列差異僅不到1%，未觀察到染色體的重排及演化斷層，說明黃顙魚的性染色體仍處于演化初期。另外，X和Y染色體具備相同的基因共線性以及相似的重復序列比例，僅存在一些Y染色體特異的SNP、INDEL和轉(zhuǎn)座元件。這一發(fā)現(xiàn)支持了染色體重排是重組抑制的結(jié)果而不是原因的理論，也說明性別特異的突變和轉(zhuǎn)座元件可能是性染色體重組抑制建立的主要驅(qū)動力。同時，本團隊先前報道的性別決定候選基因pfpdz1剛好位于SDR (Science Bulletin, 2018, 63:1420-1430)，并且在該基因的內(nèi)含子區(qū)域發(fā)現(xiàn)存在Y特異的DNA轉(zhuǎn)座子和LTR，可能通過轉(zhuǎn)座子介導的表觀調(diào)控參與性別決定。
另外，該研究通過對四種已知性染色體的鲇形目魚類進行比較發(fā)現(xiàn)，鲇形目可能存在頻繁的性染色體轉(zhuǎn)換，這也為鲇形目的性染色體普遍分化程度較低提供了解釋。值得注意的是，該研究發(fā)現(xiàn)黃顙魚的性染色體可能起源于兩條常染色體的融合，并且在融合位點的下游形成了一個高度重排區(qū)域（HRR），SDR剛好位于該區(qū)域的中心，說明頻繁的染色體重排事件可能促使了SDR的出現(xiàn)（圖1）。
圖1 黃顙魚性染色體的起源和演化
通過開展三維基因組分析，該研究發(fā)現(xiàn)黃顙魚的Y染色體相對X染色體具備更加松散的三維結(jié)構(gòu)伴隨著相對更高的基因表達水平。該研究還觀察到了Y染色體SDR存在的顯著順式相互作用，同時X和Y染色體分別與常染色體上參與維持雌雄生理活動相關(guān)基因存在顯著的反式調(diào)控。有趣的是，通過使用芳香化物酶抑制劑來曲唑處理誘導XX雌性黃顙魚性逆轉(zhuǎn)為XX偽雄魚后，其X染色體（XM）表現(xiàn)出與高度相似的三維結(jié)構(gòu)、核內(nèi)的染色體排布，伴隨著相似的基因表達模式。這說明X和Y染色體的特殊的三維構(gòu)象對于維持性別的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用（圖2）。
圖2 黃顙魚性染色體三維結(jié)構(gòu)重塑及動態(tài)的基因表達
綜上所述，該研究通過高質(zhì)量組裝的X和Y染色體及其序列特征與染色質(zhì)構(gòu)型的詳細分析，為早期性染色體的起源、重組抑制的形成以及性染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)驅(qū)動的魚類性別可塑性提供了新的見解（圖3），同時也為基于魚類性染色體的三維結(jié)構(gòu)重塑創(chuàng)建魚類性別重置技術(shù)和性別控制育種提供了新思路。
圖3 黃顙魚性染色體演化及三維結(jié)構(gòu)重塑模型
華中農(nóng)大水產(chǎn)學院鞏高瑞博士為論文第一作者，水產(chǎn)學院梅潔教授和水生所桂建芳院士為該論文通訊作者。水生所李熙銀副研究員、林橋洪博士、丹成博士和周莉研究員參與研究。該研究得到國家自然科學基金、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國家重點研發(fā)計劃、湖北洪山實驗室、湖北省杰出青年基金等項目資助。
