題目：Attenuated chromatin compartmentalization in meiosis and its maturation in sperm development（在精子成熟發育的減數分裂過程中染色質分隔的減弱）
期刊：Nature Structural & Molecular Biology
影響因子：13.333
主要技術：Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq
發表時間：2019年
研究背景
生殖發育的標志是減數分裂，即生殖細胞基因組經過重組以促進后代的遺傳多樣性。在精子發生后期，生殖細胞經歷細胞重建和全局染色質重構，最終形成具有功能的精子。在減數分裂開始時，細胞系特異性基因的激活全轉錄網絡過程是在減數分裂后的精子中進行。因此，睪丸具有所有器官中最多樣化和最復雜的轉錄組。然而，生殖細胞染色質是如何促進重要的基因表達程序和為下一代生命設定表觀遺傳狀態，目前尚不清楚。通過對小鼠雄性生殖細胞的特定階段進行Hi-C分析，發現在減數分裂過程中三維染色質組織分隔減弱。
研究內容及結果
1. 減數分裂前后精子細胞三維染色質結構變化
作者對C57BL/6J小鼠減數分裂前期的粗線精子細胞、第二次減數分裂后的單倍體圓形精子細胞和ESC細胞進行Hi-C實驗。結果發現在精子和ESCs中同源染色體的突觸和染色體縮合一致，檢測到大量的“近”色粒內相互作用。在精子和期間染色體中，染色體內互作概率遵循的冪律為P (s)～s?1，這符合分形球狀體模型。相比之下，在粗線期染色體顯示出精母細胞染色體逐漸減少互作概率，在基因組的距離3 M遵循的冪律為P (s)～s?0.61，在更大的距離時互作頻率急劇下降。在圓形精子之后，成熟精子表現出高度分隔的三維染色質。結果表明，粗線精子細胞減數分裂染色體的大尺度結構類似于有絲分裂染色體，圓形的精子染色質處于成熟精子的中間狀態（圖1）。
圖1 精子形成后期動態三維染色質構象變化
2. 減數分裂過程中染色質三維結構分隔減弱
基因組間隔已被證明與染色質表觀遺傳狀態和基因表達有關。粗線精子細胞和圓形精子細胞均可見基因組間隔，這些間隔相對于精子和ESCs的間隔較弱。圓形精子的基因組間室強度表明，粗線精子細胞與精子處于中間狀態，最大特征向量（EV1）捕捉到的基因組間隔與基因表達(RNA-seq)和染色質狀態(ChIP-seq)相關。研究表明，在間期發現的基因組分隔，在精子減數分裂過程中減弱，在減數分裂后，生殖細胞分化過程中基因間隔得到保持和加強。
圖2 精子發育成熟減數分裂過程中染色質三維結構的分化減弱
3.精子發生后期染色體間相互作用
作者發現在減數分裂過程中，染色體的頂中心端(近著絲粒端粒)之間經常發生染色體間相互作用，非著絲粒端粒(遠著絲粒端粒)之間也存在染色體間相互作用。這些特征可能是由于在減數分裂過程中端粒固定在核膜上而引起的。在單個染色體對的基礎上，如圖3d中的染色體2和4，一般特征也可以觀察到，只是程度較輕，基因組間的相互作用也是如此（圖3d）。作者觀察到最強的染色體間相互作用，就像基因組A室之間的相互作用一樣，它們在活躍的組蛋白修飾中富集（圖2c），并且在精子形成和ESCs中持續存在（圖3d）。與圓形精子中的染色體內相互作用一樣，作者觀察到圓形精子中的染色體間相互作用比例相對于粗線精子細胞有所增加（圖3e）。通過測量基因組間室強度，作者證實粗線精子細胞中也存在染色體間室（圖3f）。所觀察到的染色體間相互作用反映了精子形成過程中核組織的關鍵特征，并且無論精子形成的階段如何，A區都傾向于在不同染色體之間進行互作（圖3）。
圖3 精子發生后期染色體間相互作用
4. 減數分裂中TAD的減弱
在粗線精子細胞和圓形精子細胞中，作者觀察到強或弱的TADs，平均長度約1.1 Mb。盡管每個生殖細胞數據集都有許多獨特的TAD邊界，但粗線精子細胞和精子的邊界之間存在子集：粗線精子細胞(2300～27%)、圓形精子(2233～28%)和精子(4541～14%)共有622個TAD邊界。綜上所述結果表明，在成熟精子中，有許多在減數分裂精子細胞中明顯的弱TAD邊界得以維持，并形成其他的強邊界，三維染色質結構的表觀遺傳狀態是通過減數分裂維持的（圖4）。
圖4精子發育成熟減數分裂中拓撲相關域的減弱
5. 減數分裂過程中的兩點相互作用與活躍轉錄有關
減數分裂間期的高分辨率Hi-C圖中，已經定位成對點相互作用，并與轉錄激活、生成調節元件有關。作者在粗線精子細胞中鑒定出全基因組范圍內的1985個點相互作用，并在H3K27ac、H3K4me3的位點上ChIP-seq信號以及RNA-seq信號中均有富集。同樣，與基因組的其他區域相比，錨點處組蛋白和RNA-seq數據集的相對豐度更高。通過計算表明，錨點處分別與ChIP-seq和RNA-seq數據集之間存在弱正相關。數據表明，在精子形成的后期，點相互作用是一種高階的染色質構象，與活躍的組蛋白修飾、基因激活有關。
在粗線期精子細胞和圓形精子細胞的精子TAD邊界上觀察到H3K27ac、H3K4me3、H3K27me3的強富集，表明在粗線期精子TAD邊界存在表觀遺傳標記。在ESCs中TAD邊界上存在組蛋白修飾在精子中的富集，從粗線精子細胞到精子，H3K27me3和H3K4me39富集在同一個隔間中（圖5）。
圖5 對點相互作用和精子TADs表觀遺傳標記
6. 卵黃體在減數分裂和減數分裂后的三維染色質結構
粗線精子細胞的相互作用圖譜顯示，X表現出非完全同源的染色質結構，這與XY體中性染色體的無染色質間隔獨特調控相一致。減數分裂過程中失活的X染色體的染色質特征與女性X染色體失活時的染色質特征不同。在女性X染色體失活中，X是通過逐步折疊建立成兩個“巨量體”。然而，沉默的雄性X在減數分裂中沒有明顯的巨量體。作者觀察到高階染色質結構，在圓形精子中以遠端相互作用大于10mb的形式出現，與粗線精子細胞一樣，減數分裂后的圓形精子缺乏染色質分隔。為了支持這些結果，作者通過測量基因組間室強度，證實在粗線精子細胞和圓形精子細胞的X染色體上染色體內基因組間室并不常見，暗示三維染色質組織在生殖細胞發育過程中性別染色體的獨特調控作用（圖6）。
圖6 在減數分裂和減數分裂后沉默期間X染色體缺乏高階結構
文章小結
作者利用Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq等技術，發現生殖細胞的染色質的弱區劃分與其轉錄組的獨特性和多樣性有關，生殖細胞系染色質的成熟到精子中高度分隔的三維染色質結構是下一代生命準備的基礎。
解析文獻
Kris G. Alavattam, So Maezawa，et al. Attenuated chromatin compartmentalization in meiosis and its maturation in sperm development[J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2019, 26, 175–184.
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