近日，中科院水生所桂建芳院士团队与华中农大水产学院梅洁教授团队合作以“Origin and chromatin remodelling of young X/Y sex chromosomes in catfish with sexual plasticity”为题在国际知名杂志National Science Review（IF：23.18）发表研究成果。该研究通过对黄颡鱼中YY超雄性和XX雌性的基因组进行测序，组装了高度同源的Y和X染色体，揭示了两者的核苷酸差异只有不到 1% ，且具有相同的基因组成。研究发现，黄颡鱼的性别决定区位于0.3 Mb的区域，早期性染色体是通过常染色体-常染色体融合形成的，其特征是在融合位点下游有一个包含SDR的高度重排区域，而SDR中存在一些性别特异性的突变和重复元件，这可能是X和Y染色体之间最初建立重组抑制的主要动力。

基于三维基因组和转录组分析，研究发现，YY超雄性和XX雌性中Y和X染色体存在不同三维染色质结构，X染色体比Y染色体结构更为紧凑，同时与其他常染色体相比，它们分别与雌性和雄性相关基因有明显的反式相互作用。性别逆转后，XX伪雄性的性染色质构型以及细胞核空间结构发生了重塑，并与YY超雄性的很是相似，而且开放染色质区域存在一个含有SDR的雄性特异性环。该研究阐明了早期性染色体的起源，以及染色质重塑构型在鱼类性别可塑性中的作用。

图1 文章信息

研究材料：黄颡鱼（XX雌性、XY雄性、YY超雄性、XX伪雄性）肌肉和血液

研究组学：基因组测序（PacBio+Illumina+Hi-C）、转录组（RNA-seq）、三维基因组（Hi-C）、全基因组重测序（Pool-seq）

1.XX和YY黄颡鱼的性别决定区域

在培育出YY超雄黄颡鱼的基础上，结合XX雌性黄颡鱼和XY雄性黄颡鱼，利用BAC DNA探针进行FISH实验，得到黄颡鱼的核型结果（2n=52），其中2号染色体为性染色体。随后基于PacBio+Illumina+Hi-C策略进行基因组组装：YY黄颡鱼基因组大小是710Mb，BUSCO完整性评估为94.7%；XX黄颡鱼基因组大小是710Mb，BUSCO完整性评估为95%。经LAST比对，XX和YY序列相似度极高。而且X和Y染色体序列一致性大于99%，X和Y染色体之间不存在演化断层。在重复序列的比较上，X和Y染色体的重复序列亚族仅仅存在微妙差异。综上，X和Y染色体仍处于性染色体分化的初期阶段。

随后基于Pool-Seq reads分析两批XX和YY黄颡鱼共有的雄性特异性变异，鉴定出714个雄性特异性SNPs和248个雄性特异性indels，均位于2号染色体上（图2A）。并且绝大多数SNPs和indels，以及性染色体标记的BAC DNA序列都在0.3 Mb区域内，因此该区域为黄颡鱼的性别决定区域（SDR）（图2B）。

经过X和Y染色体的共线性分析，研究确认SDR没有发生染色体倒位和易位（图2C），而且在该区域的雄性特异性SNPs定位的基因中，此前报道的性别候选决定基因pfpdz1拥有很多雄性特异性SNPs，在XY雄性精巢中的mRNA表达量较高，并且含有3个Y特异性的DNA转座子，以及许多Y特异性的LTR元件和一个Y特异性的LINE元件。

图2 黄颡鱼基因组特征及性别决定区域

2.性染色体的起源和进化

接下来探索黄颡鱼性染色体的起源和进化。根据蛋白质序列相似性，评估大口鲇（southern catfish）、斑点叉尾鮰（channel catfish）、丝尾鳠（redtail catfish）和黄颡鱼之间的染色体共线性。这四种鱼都属于鲇形目（Siluriformes）。除黄颡鱼外，其余3种鱼类均有29对染色体(2n=58)，且彼此间具有高度共线性（图3A）。

黄颡鱼和丝尾鳠的亲缘关系比其他物种更密切，染色体间重排分析观察到，黄颡鱼和丝尾鳠之间存在数个染色体分裂或融合，并且黄颡鱼的性染色体很可能来源于两个常染色体的融合。黄颡鱼性染色体的染色体内重排(倒位和易位)比任何常染色体都要多（图3B）。因此检测黄颡鱼X染色体与丝尾鳠对应两个常染色体之间的序列同源性。结果显示，绝大多数染色体内重排发生在融合位点下游的高度重排区域(HRR)， SDR位于HRR中部附近（图3C）。

此外，由于易位和倒位的比例较高，HRR可能具有演化断层的潜力。XX雌黄颡鱼和YY超雄黄颡鱼性腺转录组表达谱分析显示，性染色体上363个雄性偏倚基因和235个雌性偏倚基因中，93个雄性偏倚基因和78个雌性偏倚基因位于HRR。与性染色体的其他区域相比，HRR中雄性偏倚基因的表达量显著升高，而雌性偏倚基因的表达量则没有更高（图3D）。

图3 黄颡鱼性染色体的起源和进化

3.黄颡鱼X染色体和Y染色体的三维结构

在XX雌性和YY超雄性的性腺细胞中进行Hi-C实验。在X染色体和Y染色体上分别鉴定出71个和42个TAD。只有1个TAD在X和Y染色体上具有相同的边界。Y染色体上的TAD大于X染色体上的TAD（图4B）。与Y染色体相比，X染色体的短距离顺式互作比例高于远距离顺式互作比例，而Y染色体的中远距离顺式互作比例更高（图4C），说明X染色体结构相对紧凑。

与X染色体分开的A/B compartment相比，Y染色体的compartment被分为一个大的A comartment和一个大的B compartment（图4D）。Y染色体上存在显著的顺式相互作用，在SDR附近尤其富集，X染色体上则不然（图4E）。

为了探索性染色体是否通过与常染色体相互作用来维持性特征的稳定性，利用2389和3118个常染色体与X或Y染色体之间的显著反式相互作用，将它们进行定位并分别注释到1343和1554个基因上。GO和KEGG通路分析显示，与X染色体显著互作的基因在生殖、对雌激素的反应、受精、FoxO信号、mTOR信号、Notch信号和卵母细胞减数分裂的功能中富集；与Y染色体显著互作的基因则参与了雄性分化、生殖、激素结合、配子生成、生殖细胞迁移以及Wnt信号和TGF-β信号通路（图4F-G）。因此，X和Y染色体分别与常染色体上参与维持雌雄生理活动相关基因存在显著的反式调控。

图4 黄颡鱼X染色体和Y染色体的三维结构

4.性别逆转后黄颡鱼的三维结构重塑

对性别逆转的XX伪雄黄颡鱼的性腺细胞进行Hi-C实验。伪雄性X染色体(X^M染色体)的Hi-C互作图与Y染色体的高度相似。X^M染色体上88.4% TAD与Y染色体共享边界（图5A）。Y染色体和X^M染色体的compartment结构类似（图5B）。距离与互作频率的关系也说明X染色体的结构比X^M和Y染色体的结构更紧密（图5C）。

在性腺转录组数据中，X^M和Y染色体上的相对基因表达量均高于X染色体。X^M和Y染色体之间仅有31个差异表达基因(DEG)，而Y染色体和X^M染色体与X染色体分别是498个和540个DEG。此外，性别偏向基因能明显把雄性表现型组(XX雄性，YY超雄性)与雌性表现型组(XX雌性)性染色体区分开来。

然后通过研究X、X^M和Y染色体的局部染色质结构，发现SDR位于X^M和Y染色体上的一个大的共享TAD中，并横跨X染色体上的三个小TAD（图5D）。此外，X^M和Y染色体上的远距离顺式互作多于X染色体上的，其中与SDR相关的TAD包含许多显著的顺式相互作用，位于一个大型环状结构域（图5E）。

最后使用互作分数来评估三种黄颡鱼的空间结构，结果显示，性别逆转后黄颡鱼的三维空间互作发生变化，XX伪雄和YY超雄的空间排布几乎相同。X^M染色体的空间排布与Y染色体高度一致。X^M染色体与X染色体的空间排布比Y染色体更相似（图5F）。而且X^M和Y染色体与常染色体之间的互作强于X染色体（图5G）。总之，X和Y染色体特殊的三维构象对于维持性别的稳定发挥着重要作用。

图5 性别逆转后黄颡鱼的三维结构重塑

该研究通过对YY超雄黄颡鱼和XX雌性黄颡鱼的基因组测序，成功组装了高度同源的X和Y染色体，发现性染色体起源于常染色体的融合。Y和X染色体具有较高的序列一致性，没有发生倒位或易位，但Y染色体上存在特异性的重复DNA序列。进一步结合三维基因组和转录组数据，发现性别逆转可能导致XX伪雄性的X染色体发生染色质重塑，并与YY超雄性的Y染色体相似。该研究为鱼类和两栖动物性染色体的起源和进化以及性别可塑性的研究提供了新思路。