异倍体（aneuploidy），也被称为非整倍体，是指细胞中染色体数目的非整倍性变化，通常由细胞分裂过程中染色体的错误分配而引起。异倍体与一系列人类重大疾病相关，包括先天发育疾病，如21三体综合征（唐氏综合征），以及自发流产和死产等。此外，异倍体也是肿瘤细胞的重要特征之一，在约88%的人类癌症中可观察到异倍体的存在【1】。近年来的研究发现，异倍体对细胞的基因表达、增殖分化、适应性、基因组稳定性等多方面都有影响。然而，异倍体是否以及如何影响表观基因组，如染色质空间结构，目前尚不完全清楚。现有的异倍体相关染色质空间结构的研究主要集中在癌症样本中，而这些癌症样本除了具有非整倍性外，还存在突变、结构变异等复杂的遗传背景，使得研究者无法单独探索异倍体的影响。染色质的空间结构和分布与基因转录、DNA复制、DNA修复、以及维持细胞核的稳定等多种重要的生物学过程密切相关，可以提供基因的表达调控等多种重要信息。因此，从三维基因组的角度研究异倍体，有助于增加对于异倍体相关疾病的理解和提示干预方案。

2024年3月29日，北京大学生命科学学院李程课题组、孙育杰课题组和中国医学科学院基础医学研究所黄粤课题组合作在Cell Proliferation期刊上发表了题为The effect of trisomic chromosomes on spatial genome organization and global transcription in embryonic stem cells的研究论文【2】。黄粤课题组前期利用分子遗传学策略成功建立了与野生型小鼠胚胎干细胞（ESC）具有相同遗传背景的多株小鼠异倍体ESC株系，为理解异倍体对细胞的影响提供了新模型和新思路【3】。本研究基于这些异倍体小鼠ESC细胞株，结合测序技术和成像技术，探索了异倍体对空间染色质组织和基因表达的影响。

研究者首先以先前建立的同遗传背景的小鼠野生型二倍体ESC（WT）和多株三体ESC（Ts6、Ts8、Ts11、Ts15）为模型，进行了Hi-C实验及测序。数据显示，在异倍体细胞中，三体染色体的存在不影响染色体内部的空间组织，包括A/B区室层面及拓扑相关结构域（TAD）层面。在染色体之间相互作用的层面，异倍体细胞中三体染色体与其他染色体的相互作用增多，与拷贝数增加导致的预期相符。此外，研究者定义了染色体之间互作的邻近指数，发现染色体间相互作用的倾向性在WT ESC和异倍体ESC之间高度一致，但在小鼠ESC和小鼠大脑皮质神经元（公共数据）之间存在差异，表明染色体间相互作用是非随机且细胞类型特异的，并且不受三体染色体的影响。此外，研究者证明染色体间相互作用与染色体的基因密度和表达活跃程度相关，基因密度高、表达活跃的染色体更倾向于在空间上临近，且这一规律在异倍体ESC中保持不变。

通过计算每个基因组区域的染色体间相互作用比例（ICF），研究者发现ICF较高的染色体区域往往具有较高的基因密度和活跃的转录状态，并且较多位于A区室。此外，ICF值的分布在WT和异倍体组中有所不同（图1），但总体上低于小鼠神经祖细胞（NPC）和皮质神经元（CN），这与分化细胞具有较高的染色体间混合程度（chromosomal intermingling）的结论相一致【4】。这些结果表明染色体间相互作用与转录活性有关，并且是细胞类型特异性的。

图1. 染色体间相互作用与活跃转录状态相关

为了探究异倍体是否影响染色体领地（chromosome territories），研究者使用基于荧光原位杂交（FISH）的染色体成像技术（chromosome painting）对染色体8、9和12的体积和核内径向位置进行了测定。与WT相比，Ts8中这些染色体在细胞核内的径向位置未发生明显变化，但染色体体积减小。此外，8号和9号染色体之间的混合指数明显高于8号和12号染色体之间的混合指数，与Hi-C数据中观察到的染色体间相互作用偏好相一致。在Ts8中，染色体8和9之间的染色体间相互作用的偏好与WT中一致。这些结果表明，与WT相比，Ts8中的染色体保留了在细胞核中的位置和“邻居”，但体积有所减小。另外，通过同时对新生RNA和染色体进行成像，研究者观察到Ts8中单拷贝8号染色体的新生RNA水平与WT相比降低，且染色体混合区域的新生RNA水平比非混合区域高，与Hi-C数据相符。这些结果证明了染色体混合区域的高转录活性，并揭示了三体染色体的体积和新生RNA转录水平相比WT中减少。

最后，利用RNA-seq技术，研究者发现异倍体组中三体染色体上的基因表达量与WT相比有明显的上升，但平均变化倍数低于DNA 拷贝数变化（1.5 倍），表明存在少量的剂量补偿效应。四株异倍体细胞存在许多共同上调或下调的基因，共同上调的基因所富集的Gene Ontology (GO) 条目包括对过剩蛋白质的响应（如对未折叠蛋白的响应、内质网压力等）、对选择性环境的响应（如对低氧环境的响应）等生物过程，这与异倍体细胞中增加的翻译、蛋白质折叠和蛋白质降解的压力和能量消耗一致。KEGG通路分析显示共同差异表达基因主要富集在癌症相关的通路，与异倍体细胞具有较强的畸胎瘤形成能力的表型相符【3】。这些结果表明，三体染色体通过剂量效应对转录组产生直接影响，在不同的异倍体细胞中引起共同的转录组变化，从而导致异倍体ESC细胞的功能表型。

综上，本研究结合Hi-C、RNA-seq、染色体成像和新生RNA成像技术，探究了异倍体ESC相比正常二倍体ESC在染色质三维结构和基因转录层面的变化（图2）。本研究的数据资源和研究结果有助于从三维基因组结构的角度更深入地理解异倍体产生的影响。

图2. WT和异倍体ESC中的染色体领地、染色体间相互作用和基因转录

北京大学前沿交叉学科研究院李梦帆博士、生命科学学院杨俊生博士为论文的共同第一作者。北京大学生命科学学院李程研究员、未来技术学院孙育杰教授和中国医学科学院基础医学研究所黄粤教授、张美丽副研究员为论文的共同通讯作者。中国医学科学院基础医学研究所肖蓉博士、北京大学刘允洁、胡佳琦、军事医学研究院生物医学分析中心李亭亭副研究员、北京大学吴朋泽亦对本研究做出了贡献。

论文链接：http://doi.org/10.1111/cpr.13639

李程研究组介绍：http://3d-genome.life/

参考文献：

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