異倍體（aneuploidy），也被稱為非整倍體，是指細胞中染色體數目的非整倍性變化，通常由細胞分裂過程中染色體的錯誤分配而引起。異倍體與一系列人類重大疾病相關，包括先天發育疾病，如21三體綜合征（唐氏綜合征），以及自發流産和死産等。此外，異倍體也是腫瘤細胞的重要特征之一，在約88%的人類癌症中可觀察到異倍體的存在【1】。近年來的研究發現，異倍體對細胞的基因表達、增殖分化、适應性、基因組穩定性等多方面都有影響。然而，異倍體是否以及如何影響表觀基因組，如染色質空間結構，目前尚不完全清楚。現有的異倍體相關染色質空間結構的研究主要集中在癌症樣本中，而這些癌症樣本除了具有非整倍性外，還存在突變、結構變異等複雜的遺傳背景，使得研究者無法單獨探索異倍體的影響。染色質的空間結構和分布與基因轉錄、DNA複制、DNA修複、以及維持細胞核的穩定等多種重要的生物學過程密切相關，可以提供基因的表達調控等多種重要信息。因此，從三維基因組的角度研究異倍體，有助于增加對于異倍體相關疾病的理解和提示幹預方案。

2024年3月29日，beat365官方网站李程課題組、孫育傑課題組和中國醫學科學院基礎醫學研究所黃粵課題組合作在Cell Proliferation期刊上發表了題為The effect of trisomic chromosomes on spatial genome organization and global transcription in embryonic stem cells的研究論文【2】。黃粵課題組前期利用分子遺傳學策略成功建立了與野生型小鼠胚胎幹細胞（ESC）具有相同遺傳背景的多株小鼠異倍體ESC株系，為理解異倍體對細胞的影響提供了新模型和新思路【3】。本研究基于這些異倍體小鼠ESC細胞株，結合測序技術和成像技術，探索了異倍體對空間染色質組織和基因表達的影響。

研究者首先以先前建立的同遺傳背景的小鼠野生型二倍體ESC（WT）和多株三體ESC（Ts6、Ts8、Ts11、Ts15）為模型，進行了Hi-C實驗及測序。數據顯示，在異倍體細胞中，三體染色體的存在不影響染色體内部的空間組織，包括A/B區室層面及拓撲相關結構域（TAD）層面。在染色體之間相互作用的層面，異倍體細胞中三體染色體與其他染色體的相互作用增多，與拷貝數增加導緻的預期相符。此外，研究者定義了染色體之間互作的鄰近指數，發現染色體間相互作用的傾向性在WT ESC和異倍體ESC之間高度一緻，但在小鼠ESC和小鼠大腦皮質神經元（公共數據）之間存在差異，表明染色體間相互作用是非随機且細胞類型特異的，并且不受三體染色體的影響。此外，研究者證明染色體間相互作用與染色體的基因密度和表達活躍程度相關，基因密度高、表達活躍的染色體更傾向于在空間上臨近，且這一規律在異倍體ESC中保持不變。

通過計算每個基因組區域的染色體間相互作用比例（ICF），研究者發現ICF較高的染色體區域往往具有較高的基因密度和活躍的轉錄狀态，并且較多位于A區室。此外，ICF值的分布在WT和異倍體組中有所不同（圖1），但總體上低于小鼠神經祖細胞（NPC）和皮質神經元（CN），這與分化細胞具有較高的染色體間混合程度（chromosomal intermingling）的結論相一緻【4】。這些結果表明染色體間相互作用與轉錄活性有關，并且是細胞類型特異性的。

圖1. 染色體間相互作用與活躍轉錄狀态相關

為了探究異倍體是否影響染色體領地（chromosome territories），研究者使用基于熒光原位雜交（FISH）的染色體成像技術（chromosome painting）對染色體8、9和12的體積和核内徑向位置進行了測定。與WT相比，Ts8中這些染色體在細胞核内的徑向位置未發生明顯變化，但染色體體積減小。此外，8号和9号染色體之間的混合指數明顯高于8号和12号染色體之間的混合指數，與Hi-C數據中觀察到的染色體間相互作用偏好相一緻。在Ts8中，染色體8和9之間的染色體間相互作用的偏好與WT中一緻。這些結果表明，與WT相比，Ts8中的染色體保留了在細胞核中的位置和“鄰居”，但體積有所減小。另外，通過同時對新生RNA和染色體進行成像，研究者觀察到Ts8中單拷貝8号染色體的新生RNA水平與WT相比降低，且染色體混合區域的新生RNA水平比非混合區域高，與Hi-C數據相符。這些結果證明了染色體混合區域的高轉錄活性，并揭示了三體染色體的體積和新生RNA轉錄水平相比WT中減少。

最後，利用RNA-seq技術，研究者發現異倍體組中三體染色體上的基因表達量與WT相比有明顯的上升，但平均變化倍數低于DNA 拷貝數變化（1.5 倍），表明存在少量的劑量補償效應。四株異倍體細胞存在許多共同上調或下調的基因，共同上調的基因所富集的Gene Ontology (GO) 條目包括對過剩蛋白質的響應（如對未折疊蛋白的響應、内質網壓力等）、對選擇性環境的響應（如對低氧環境的響應）等生物過程，這與異倍體細胞中增加的翻譯、蛋白質折疊和蛋白質降解的壓力和能量消耗一緻。KEGG通路分析顯示共同差異表達基因主要富集在癌症相關的通路，與異倍體細胞具有較強的畸胎瘤形成能力的表型相符【3】。這些結果表明，三體染色體通過劑量效應對轉錄組産生直接影響，在不同的異倍體細胞中引起共同的轉錄組變化，從而導緻異倍體ESC細胞的功能表型。

綜上，本研究結合Hi-C、RNA-seq、染色體成像和新生RNA成像技術，探究了異倍體ESC相比正常二倍體ESC在染色質三維結構和基因轉錄層面的變化（圖2）。本研究的數據資源和研究結果有助于從三維基因組結構的角度更深入地理解異倍體産生的影響。

圖2. WT和異倍體ESC中的染色體領地、染色體間相互作用和基因轉錄

北京大學前沿交叉學科研究院李夢帆博士、beat365楊俊生博士為論文的共同第一作者。beat365官方网站李程研究員、未來技術學院孫育傑教授和中國醫學科學院基礎醫學研究所黃粵教授、張美麗副研究員為論文的共同通訊作者。中國醫學科學院基礎醫學研究所肖蓉博士、北京大學劉允潔、胡佳琦、軍事醫學研究院生物醫學分析中心李亭亭副研究員、北京大學吳朋澤亦對本研究做出了貢獻。

論文鍊接：http://doi.org/10.1111/cpr.13639

李程研究組介紹：http://3d-genome.life/

參考文獻：

1.    Taylor AM, Shih J, Ha G, et al. Genomic and Functional Approaches to Understanding Cancer Aneuploidy. Cancer Cell. 2018;33(4):676-689.e3. doi:10.1016/j.ccell.2018.03.007

2.    Li M, Yang J, Xiao R, et al. The effect of trisomic chromosomes on spatial genome organization and global transcription in embryonic stem cells. Cell Prolif. Published online March 29, 2024. doi:10.1111/cpr.13639

3.    Zhang M, Cheng L, Jia Y, et al. Aneuploid embryonic stem cells exhibit impaired differentiation and increased neoplastic potential. EMBO J. 2016;35(21):2285-2300. doi:10.15252/embj.201593103

4.    Maharana S, Iyer KV, Jain N, Nagarajan M, Wang Y, Shivashankar GV. Chromosome intermingling-the physical basis of chromosome organization in differentiated cells. Nucleic Acids Res. 2016;44(11):5148-5160. doi:10.1093/nar/gkw131