Il rimodellamento 3D della cromatina nella linea germinale modula la plasticità evolutiva del genoma

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2608 (2022) Citare questo articolo

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Il ripiegamento dei cromosomi ha profondi impatti sulla regolazione genetica, le cui conseguenze evolutive sono lungi dall’essere comprese. Qui esploriamo la relazione tra il rimodellamento della cromatina 3D nelle cellule germinali del topo e i cambiamenti evolutivi nella struttura del genoma. Utilizzando un'analisi computazionale integrativa completa, (i) ricostruiamo sette genomi di roditori ancestrali analizzando sequenze dell'intero genoma di 14 specie rappresentanti dei principali filogruppi, (ii) rileviamo riarrangiamenti cromosomici specifici del lignaggio e (iii) identifichiamo la dinamica della struttura e proprietà epigenetiche delle regioni breakpoint evolutive (EBR) durante la spermatogenesi del topo. I nostri risultati mostrano che gli EBR sono privi di rotture meiotiche programmate del doppio filamento del DNA (DSB) e di coesine meiotiche negli spermatociti primari, ma sono associati nelle cellule post-meiotiche con siti di danno al DNA e regioni di interazione funzionale a lungo raggio che ricapitolano configurazioni cromosomiche ancestrali . Nel complesso, proponiamo un modello che integra il rimpasto evolutivo del genoma con i meccanismi di risposta al danno del DNA e l'organizzazione dinamica del genoma spaziale delle cellule germinali.

Svelare la base genomica della speciazione è una delle principali priorità di ricerca in biologia, alimentata dalla disponibilità di un numero senza precedenti di risorse genomiche. La genomica comparativa di specie di mammiferi strettamente e lontanamente imparentate ha rivelato che le regioni genomiche implicate nei cambiamenti evolutivi strutturali sono raggruppate in regioni più inclini a rompersi e riorganizzarsi1,2,3,4. In questo contesto, le regioni breakpoint evolutive (EBR) sono considerate regioni genomiche implicate nei cambiamenti evolutivi strutturali che interrompono le regioni sinteniche genomiche1,2,3,4. Nella ricerca dell'origine e delle implicazioni funzionali di questi riarrangiamenti evolutivi, la ricerca ha indicato elementi ripetitivi come possibili fattori determinanti1,5,6, mentre i cambiamenti nell'espressione genica causati dal rimescolamento del genoma possono fornire un vantaggio selettivo attraverso lo sviluppo di nuovi caratteri adattivi specifici per lignaggi dei mammiferi3,4,7,8,9. Data la diversità dei fattori associati agli EBR, è molto improbabile che la composizione della sequenza dei genomi sia l'unica responsabile dell'instabilità genomica durante l'evoluzione e che anche la regolazione del ripiegamento genomico 3D sia un fattore critico8,10,11,12.

I genomi dei mammiferi sono impacchettati in una struttura cromatinica, la cui regolazione dipende da diversi strati di organizzazione sovrapposti, inclusi territori cromosomici all'interno dei quali la cromatina è organizzata in compartimenti (aperti/chiusi), che a loro volta consistono in domini topologicamente associati (TAD) e DNA loop10,13,14. La caratterizzazione di come la conformazione della cromatina e le interazioni DNA-proteine si sono evolute durante la diversificazione dei mammiferi sta fornendo una nuova ipotesi interpretativa sui meccanismi responsabili dell'origine dell'architettura e della plasticità del genoma10,15,16. Loci distanti all'interno del genoma interagiscono in modo regolatorio durante il ciclo cellulare12,14,15, influenzando la loro funzione ultima, fornendo così basi per esplorare la dinamica della composizione del genoma, le relazioni evolutive tra le specie e, a lungo termine, la speciazione. Questa visione è stata unificata dal "Modello di rottura integrativa", un'ipotesi evolutiva interpretativa che presuppone che la permissività delle regioni genomiche a riorganizzarsi possa essere determinata dalla struttura della cromatina di ordine superiore10,11.

Come ogni cambiamento di stato evolutivo, le riorganizzazioni cromosomiche che hanno origine nella linea germinale prima della meiosi (cellule germinali primordiali proliferanti, spermatogoni e oogoni), durante la divisione meiotica (spermatociti e ovociti) o negli stadi post-meiotici (cioè spermatidi rotondi) possono essere trasmesso alle generazioni successive. In tali casi, le riorganizzazioni cromosomiche possono ridurre il flusso genico e potenzialmente contribuire alla speciazione mediante la soppressione della ricombinazione nelle regioni riorganizzate tra popolazioni cromosomicamente diverse, ma contigue16,17,18,19. Bassi livelli di ricombinazione potrebbero portare a un'elevata divergenza e fissazione di nuove mutazioni in queste regioni20 che, combinate con la presenza di geni correlati a pressioni evolutive specie-specifiche, potrebbero rafforzare il valore adattativo degli EBR nella linea germinale8. Il lavoro teorico ha suggerito che riarrangiamenti ereditari potrebbero verificarsi in regioni genomiche accessibili nelle cellule germinali e/o nei primi stadi di sviluppo totipotenti10, evidenziando l'esistenza di un ruolo vincolante degli EBR nella linea germinale che necessita di ulteriori indagini.

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>