染色体三维构象在灵长类动物中的进化及作用

Chromosomes are packaged in a multihierarchical structure to fit into crowded nucleus. Recent studies have revealed that a topologically associated domain (TAD) appears to be a chromosomal secondary structure that is associated with histone modifications, gene expression, lamina association and DNA replication. However, it is very limited known about how high order chromatin structures are evolved in animals and how is the crosstalk between genomic sequence and high order structure. In this regard, we will use Hi-C method to generate the 3D high order chromatin structures for the fibroblast, sperm of human, chimpanzee, rhesus monkey, and crab-eating macaque. We will compare the change of the 3D structure during primate evolution, and investigate the effect of sequence changes on the high order structure by focusing the CTCF motif and repeat regions. As CTCF is critical for high order structure, we will try to address how CTCF motifs are selected during evolution. Furthermore, we will aim to reveal the impact of 3D chromatin structure changes on species evolution. In summary, this project will reveal the evolution of primate genome from high order structure level, which will help us to understand how human genome is evolved.

染色体的三维构象对DNA复制，基因的转录调控，基因组稳定性都有重要意义，近期发现染色体高级拓扑结构域（TAD）是染色体三维结构的基本单元。然而目前对于染色体高级结构的进化特点，以及基因组序列进化如何影响物种染色体高级结构的进化的了解非常有限。因此，本课题将以食蟹猴，恒河猴，黑猩猩和人类为模型，使用染色体构象捕获（Hi-C）方法以及ChIA-PET方法测量四种灵长类的精子、成纤维细胞和白细胞的全基因组染色体三维构象图谱，研究基因组序列变化在灵长类微进化过程中如何影响染色体三维构象的变化，尤其关注对染色体高级结构显著影响的CTCF结构域、重复序列等的变化对进化的影响，探索CTCF序列如何被进化选择。以及染色体高级结构变化对基因组表达调控的作用，揭示染色体三维构象对物种进化的作用。此研究将从基因组序列对染色体空间结构的影响角度，比较人和其它灵长类动物的差异，有助于深入了解人类基因组是如何进化的。

染色体三维结构是重要的表观遗传因素，与基因的表达调控密切相关。但人类精子和卵子受精后，细胞核中的染色体结构如何变化，哪些生物学分子会影响胚胎中的染色体结构变化，一直以来是未被解决的科学问题。本项目通过对精子及人类早期胚胎发育过程中的染色体结构动态变化情况进行了描绘。基因组的三维结构是由拓扑相关结构域（TAD）基本单元构成，研究结果显示，在成熟的人类精子中没有TAD结构并且没有检测到染色质调节蛋白CTCF，这与在小鼠精子中的情况完全不同。受精后，胚胎中TAD结构非常模糊，在后续的胚胎发育中染色体逐渐建立清晰的TAD结构。研究还发现，A/B区室结构在人的2细胞期胚胎中消失，然后在后续发育中重新建立。值得注意的是，不同于小鼠胚胎和果蝇胚胎，在人类早期胚胎中阻断合子基因组激活（ZGA）可以抑制TAD结构的建立。CTCF蛋白的表达调控人类早期胚胎的TAD结构建立。.本项目还对在国际上首次研究了人类胚胎基因组的激活机制，找到了启动人类基因组表达的关键分子（Oct4），发现在进化历史中，最先出现的基因（老基因）会先表达、而最后出现的基因往往会后表达。还揭示了人类进化的一个重要新机制，该研究中判断转座子引起人类进化的重要原因是引起人类进化的转座子恰恰主要在胚胎中处于活跃状态，使人类基因组产生新突变，而只有在胚胎中产生的突变，才更可能传递到后代中，从而引起人类的进化。