在小鼠發(fā)育過(guò)程中，胚胎期生殖細(xì)胞（EGCs）做出了至關(guān)重要的命運(yùn)決定，雌性EGCs開(kāi)始減數(shù)分裂，而雄性EGCs則進(jìn)入有絲分裂停滯，直到出生。盡管對(duì)表觀遺傳修飾的重編程有了越來(lái)越多的了解，但單個(gè)EGC內(nèi)三維（3D）基因組結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仍然難以捉摸。

2025年7月4日，北京大學(xué)湯富酬團(tuán)隊(duì)在Nature Structural & Molecular Biology（IF=10.1）在線發(fā)表題為“Single-cell long-read Hi-C, scNanoHi-C2, details 3D genome reorganization in embryonic-stage germ cells”的研究論文，該研究提出了一種單細(xì)胞輸入、長(zhǎng)讀Hi-C方法，稱(chēng)為scNanoHi-C2。

在哺乳動(dòng)物中，胚胎期生殖細(xì)胞（EGCs）是卵原細(xì)胞和精原細(xì)胞的前體，它們攜帶遺傳信息并將其代代相傳，在胚胎發(fā)育過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的性別二態(tài)性。在胚胎第13.5天（E13.5），隨后是性別分化，雄性胚胎干細(xì)胞進(jìn)入一種稱(chēng)為有絲分裂停滯的靜止?fàn)顟B(tài)，在出生后第5-7天左右恢復(fù)細(xì)胞周期和精子發(fā)生。G0/G1期的有絲分裂阻滯對(duì)于雄性生殖細(xì)胞的發(fā)育和出生后精子發(fā)生干細(xì)胞群的建立至關(guān)重要。與雄性不同，雌性EGCs在這個(gè)階段進(jìn)入減數(shù)分裂I的前期，經(jīng)歷一系列動(dòng)態(tài)的染色體重組事件，伴隨著形態(tài)學(xué)和表觀基因組的重編程。

越來(lái)越多的證據(jù)表明，哺乳動(dòng)物發(fā)育的精確調(diào)控取決于遺傳信息和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的相互作用。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，染色質(zhì)按層次組織，形成包括染色體區(qū)域（~100 Mb）、A/B區(qū)室（~10 Mb），拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）（~1 Mb）和染色質(zhì)環(huán)（~100 kb）在內(nèi)的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不僅是細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，還為基因表達(dá)程序提供調(diào)控信息。EGC發(fā)展的開(kāi)創(chuàng)性研究揭示了其轉(zhuǎn)錄組、DNA甲基組和染色質(zhì)可及性的動(dòng)態(tài)重編程，而表觀遺傳信息如何與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重組協(xié)調(diào)仍有待闡明。

高階相互作用協(xié)調(diào)精細(xì)的隔室，促進(jìn)雌性胚胎干細(xì)胞的減數(shù)分裂程序

（圖源自Nature Structural & Molecular Biology）

該研究開(kāi)發(fā)了一種基于牛津納米孔技術(shù)（ONT）平臺(tái)的單細(xì)胞輸入scHi-C方法，稱(chēng)為scNanoHi-C2，并將其應(yīng)用于研究小鼠EGCs的3D基因組結(jié)構(gòu)。使用scNanoHi-C2系統(tǒng)地剖析了EGC染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)，盡管常染色體的變化與精子發(fā)生相似，但雌性EGCs的X染色體顯示出B區(qū)室之間增強(qiáng)的特異性相互作用。通過(guò)重建3D基因組模型，觀察到減數(shù)分裂過(guò)程中染色體的動(dòng)態(tài)定位，表明EGCs非同源染色體之間的鄰域是相對(duì)隨機(jī)的。

同時(shí)，轉(zhuǎn)座因子經(jīng)歷了戲劇性的染色質(zhì)重組，并在減數(shù)分裂拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域邊界周?chē)@示出Alu/B2元件的不對(duì)稱(chēng)分布。此外，在有絲分裂階段，EGCs中的高階相互作用主要富集在B區(qū)室中，而在有絲分化到減數(shù)分裂過(guò)渡后，富集的高階交互作用轉(zhuǎn)移到精細(xì)的A區(qū)室，在全球基因組濃縮過(guò)程中可能促進(jìn)減數(shù)分裂特異性轉(zhuǎn)錄程序。還揭示了有絲分裂停滯的雄性EGCs中一種意想不到的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，與之前假設(shè)的G0狀態(tài)不同，這可能為隨后的精子發(fā)生奠定了獨(dú)特的基因組結(jié)構(gòu)。總之，該研究強(qiáng)調(diào)了scNanoHi-C2的潛力，并揭示了EGCs染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重編程的關(guān)鍵特征，這些結(jié)果可能有助于理解減數(shù)分裂過(guò)程中的機(jī)制和性別二態(tài)性。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41594-025-01604-7#Sec35