巨大染色体的三维结构与DNA复制的功能关联

文章核型工程揭示了复制发射和基因接触图形摘要亮点d核大小受染色体大小及其相对长度的d亚端粒的染色体核心重新定位揭示了3Dd着丝粒失活延迟其附近的复制激发drDNA-着丝粒接触桥扩展超过1.5 Mb线性基因组距离作者Luciana Lazar-Stefanita，JingchuanLuo，Remi Montagne，...，放大图片作者：Julien Mozziconacci，RomainKoszul，Jef D.BoekeCorrespondenceromain. pasteur.fr（R.K.），jef. nyulangone.org（J.D.B.）简言之Lazar-Stefanita等人的工作使用基因工程融合染色体来研究染色体大小对核结构和功能的影响。巨大的染色体被发现在扩大的细胞核中占据更多的空间，并在细胞分裂过程中维持DNA重组。位点特异性的三维变化与DNA复制程序的时间变化在功能上Lazar-Stefanita等人，2022，细胞基因组学2，1001632022年8月10日-作者。https://doi.org/10.1016/j.xgen.2022.100163染色体三维结构n=16n=212345678910111213141516一B着丝粒端粒低高接触频率DNA复制点火（非活性CEN3）n=16n=23号染色体DNA复制点火会会~~开放获取文章核型工程揭示了复制发射和基因接触的时空控制1、2罗京川、1、5、6雷米·蒙塔涅、2、5、7艾格尼丝·蒂埃里、2孙晓吉、1、8纪尧姆·梅西、2、9朱利安·莫齐科纳奇、3罗曼·科苏尔、2、*和杰夫·D·Boeke1，4，10，*1系统遗传学研究所和生物化学与分子药理学系，纽约大学Langone Health，纽约，NY 10016，美国2巴斯德研究所，CNRS UMR 3525，Universite 'Paris Cite'，基因组空间调控单位，75015 Paris，France3基因组结构和不稳定性实验室，UMR 7196，国家自然历史博物馆6现住址：Whitehead Institute for Biomedical Research，Cambridge，MA 02142，USA7现地址：法国巴黎乌尔姆街26号居里研究所，邮编8现住址：Cellarity，Cambridge，MA，USA9现地址：法国巴黎，1 bis Rue Cabanis，75014，Fondation Hospitalie`re de10引线触点* 通信地址：romain. pasteur.fr（R.K.），jef. nyulangone.org（J.D.B.）https://doi.org/10.1016/j.xgen.2022.100163总结真核基因组在大小、染色体数目和遗传复杂性方面各不相同它们的时间组织是复杂的，反映了DNA折叠和功能之间的协调在这里，我们使用融合karyotypes的芽殖酵母的染色体长度对核结构的影响进行表征。我们发现，大小匹配的巨染色体扩大，占据了扩大的细胞核的更大部分。Hi-C图谱揭示了对应于失活的着丝粒和端粒的三维结构的变化。不活跃的着丝粒的去聚类导致其早期复制的损失，突出了基因组组织和复制时间之间的功能相关性。染色体臂上前端粒近端区域的重新定位暴露了絮凝蛋白基因之间的接触子集在细胞分裂过程中，巨染色体的染色体重组保持不变，这表明在分裂后期，在野生型染色体上延伸超过0.3 Mb的着丝粒-rDNA接触不能超过1.7兆我们的研究结果突出了工程核型的相关性，揭示基因组组织和功能之间的关系。介绍经过数十亿年的进化，基因组已经获得了独特的特征。在真核生物中，染色体的大小、数目和核空间内的结构组织是多样的，反映了动态进化变化的历史。芽殖酵母基因组12 Mb，分布在16个染色体上，编码约6,000个基因. [1]相比之下，苍蝇、蠕虫和人类的基因组要大得多（是酵母的8-250倍，分别分布在4对、6对和2 - 3对染色体上），但携带的基因数量只有酵母的2-3倍。这表明基因组大小、染色体数目和基因含量之间缺乏强有力的功能对应[2]然而，DNA含量与许多表型性状有关：DNA含量的增加与各种分类群的细胞大小有关，而与细胞分裂速率呈负相关。因此，高DNA含量通常存在于大且缓慢分裂的细胞的细胞核中。二、三成像和染色体构象捕获（3C; Hi-C）研究揭示了复杂的结构。不同的核不同大小的领土偶尔会相互影响;酵母着丝粒和端粒聚成离散的焦点，而核仁占据纺锤体极体（SPB）对面的明显区域。[4]因此，DNA分子并不是严格意义上的信息分子，但也可以构成细胞核。核重新定位与酵母中的局部基因调控有关，5，6和高度转录的基因导致染色体接触图中的边界，沿着间期染色体界定小的微区。7，8当酵母细胞进入有丝分裂时，它们的染色体被重组成相对小（10-40 kb）的染色质环阵列9-14-17在 这 里 ， 我 们 部 署 了 一 种 新 的 策 略 ， 以 调 查 核 DNAarchitecture和功能的核型工程酵母携带巨染色体产生的连续轮端粒端粒融合和同时删除一个着丝粒。18，19这些携带大规模“设计者重排”的基因组CellGenomics 2，100163，August 10，2022？作者。1这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。会开放获取文章2Cell Genomics2，100163，2022研究基因组三维（3D）重组的功能后果。我们发现，在巨染色体工程期间，近着丝粒区域的失活改变了更高级的组织，并废除了它们的早期复制发射，证明了整个基因组组织和复制调控之间的功能联系。同样，沿着巨染色体臂重新定位以前的端粒近端区域揭示了在天然酵母基因组中逃避检测的离散染色体位点之间的未暴露的相互作用。尽管发现融合的巨染色体的相对大小对核大小有不同的影响，但最初的研究揭示了令人惊讶的缺乏主要的适应性缺陷，指出了一种有弹性的基因组结构，强烈反对核内位置是基因表达的主要决定因素18-20此外，天然染色体的有丝分裂特征在巨染色体中得以保持，表明染色体长度既不调节染色质压实也不调节分离效率，强调了酵母中有丝分裂的稳健性。这些结果加强了局部3D核结构对基因组结构和功能的相关性，并强调了寻找替代方法来研究它的重要性。结果尺寸匹配与无与伦比携带大规模重组核型的酵母菌株已经被工程化并被彻底描述。18，19简而言之，这些研究表明，通过多轮端粒-端粒融合和同时的着丝粒缺失（以防止形成双着丝粒染色体），染色体大小可以大量增加，而不会引起重大的适应性缺陷。本工作集中于酵母，其16个天然染色体已顺序合并成2个最终的巨染色体（图1A和S1A），为了清楚起见，我们从最大到最小按顺序命名（例如，chrA和chrB）。在Luo等人的早期工作中，18我们描述了一个n = 2的菌株，JL402，具有两个大致相等大小的染色体。在此，为了进一步研究“大小匹配”染色体的潜在重要性有趣的是，不匹配的n = 2菌株（JL498）相对于大小匹配的菌株具有严重的生长缺陷（图S1B）。对两种n = 3的菌株（JL 381和JL 410;生长速率由Luo et al. 18），其充当两个n = 2菌株的祖细胞（关键资源表;图S1 A）。转录调控在大小不匹配的情况下受到影响n =2我们先前表明，与对照组相比，大小匹配的n = 2菌株的转录组没有严重变化。n = 16，并且主要归因于先前端粒基因向内部染色体臂位置的重新定位。18我们分析了n = 2大小不匹配菌株的RNA测序（RNA-seq）文库（方法细节），其与n = 2大小匹配相比具有更强的生长缺陷（图S1B）。与缓慢生长表型一致，我们检测到数百个不同表达的基因（DEG; log 2倍数变化>2或<-2，p 1 E10- 5）;然而，在这些DEG中不能鉴定基因本体（GO）术语富集的连贯模式（图S2;表S1位于失活着丝粒上游和下游约20kb的前着丝粒周围基因的转录基本上不受影响，并且与染色体大小无关，表明转录不受着丝粒定位或着丝粒周围染色质结构的影响n = 2不匹配菌株的干扰转录组可能与其缓慢生长表型直接相关。或者，有可能是一个或多个新的突变，这是不存在的大小匹配的菌株，出现在不匹配的影响其健身。巨染色体的3D核结构我们推断，相对于最长的天然染色体，染色体长度增加约5倍，可能会改变巨染色体的核为了研究这一假设，我们首先测量SYTOX Green标记的细胞中基因组DNA占据的表面积（方法细节）。我们的结果显示，与n = 16相比，n = 2大小匹配的菌株中DNA发生率增加约26%（图1B），这在n = 2不匹配的菌株中未检测到（图S3;表S4）。最后，n = 2大小匹配的DNA占有率的增加与核表面本身增大约25%直接相关（图S5;表S5）。这些结果表明细胞核的大小和染色体的大小之间存在联系。然而，目前还不清楚为什么只有大小匹配的巨染色体而不是不匹配的巨染色体对核大小有这种影响。为了表征巨染色体的空间组织，对G1同步化的n = 16和n = 2细胞进行Hi-C实验（方法详情）。与具有16条染色体的参考菌株的接触图谱相比，其显示了特征性的15点非对角模式，反映了与着丝粒周围区域之间的接触富集相关的着丝粒聚类，22n = 2的图谱仅显示了2条长染色体和单个非对角点的着丝粒间接触（图1C）。尽管n = 2和n = 16的2D图谱和相应的3D表示是高度不同的（图1D和S6），但酵母核组织的关键已知结构元件保持保守并且不依赖于染色体长度。最值得注意的是剩余活性着丝粒之间的反式接触（图1C，黑色箭头和S6），反映了它们邻近SPB（酵母微管组织中心）的聚类染色质折叠是独立的染色体大小我们预期染色体融合的过程将改变染色体内和染色体间接触之间的总体平衡，我们通过在n = 2、大小匹配和不匹配的菌株的2D图谱中量化它们的相对接触百分比并与n = 16进行比较来评估。增益高达在n = 2株菌株中观察到约30%的染色体内接触（图S7A）。接下来，我们询问这种增加是否会影响G1期间巨染色体的内部结构，与它们的n = 16对应物相比。在某种程度上，通过计算作为基因组距离函数的接触概率p，Cell Genomics2，100163，2022年8月10日3会开放获取文章A CEFBD图1. 2个巨染色体(A) n = 16至n = 2的染色体融合设计概述16条天然染色体是独特的颜色和数字顺序，而2个融合的巨染色体是按顺序排列的（A和B）。染色体臂的长度表示为与着丝粒位置的距离（Mb）的函数(B) 用SYTOX Green染色的细胞中DNA表面（mm2）的测量小提琴图显示：单倍体（n = 16和n = 2）和二倍体（n = 16，大小增加的阳性对照）菌株中DNA表面的中值，以及与n = 16单倍体相比时它们的相对（%）增量通过Kolmo-gorov-Smirnov检验获得p值(C) G1期n = 16和n = 2的接触图比较通过在仅含有2条染色体的参考序列上比对n = 16和n = 2个读段来生成左和右Hi-C图谱（5 kb分箱）左下图显示了所有16条天然染色体（用虚线下划线），而右上图仅显示了2条染色体（chrA和chrB，位于图的顶部）。黑色箭头指向着丝粒间接触。紫色至白色的颜色标度反映了高至低的接触频率（log10）。(D) n = 16和n = 2的G1接触图的3D平均表示颜色代码反映了16条天然染色体，并突出显示了着丝粒，端粒和(E) p（s）导数表示基因座之间染色体内接触频率p相对于它们的基因组距离s的平均衰减。来自Lazar-Stefanita et al.的两份G1重复样品，均为n = 16。21和n = 2一起作图。(F) 活性和失活的着丝粒周围区域的累积对数比蓝色到红色的色标反映了n = 2与n = 16（log2）中200 kb窗口中的接触富集(s) 沿着染色体臂。21，23因为与n = 16菌株相比，n = 2菌株的染色体尺寸显著增大，由于2个基因组之间的相互/内部接触比率的高度变化，直接比较它们的p（s）曲线是有问题的。为了解决这个问题，我们在两种菌株的染色体上计算了300 kb窗口中的p（s）（方法详情）。在该局部分析中，与G1中的天然 染 色 体 相 比 ， 沿 meg- 染 色 体 未 检 测 到 显 著 差 异 （ 图S7B）。然后，我们计算了n = 16和n = 2基因组在双对数空间中的完整p（s）曲线的局部导数，以放大它们的差异9，24（方法详情）。在大多部分，除了长距离（>150 kb）外，衍生物显示出相似的斜率，因为小染色体臂在n = 16的图中引入了变异性（图1E）。该结果表明，在核空间内，融合株的长染色体臂显示出与G1中的32个短臂相似的平均染色质折叠状态。着丝粒失活导致着丝粒周围染色质的重组由于着丝粒聚集，染色体臂采用“聚合物刷”样构象25，导致顺式和反式中二十六、二十七4Cell Genomics2，100163，2022会开放获取文章~一道身影2. 重新定位亚端粒染色体臂内的基因在3D环境下进行接触(A) 在n = 2中的chrA的接触图（5kb分组）。红色箭头指向HML、HMR和TEL之间的顺式接触富集。紫色到白色的颜色标度反映了从高到低的接触频率，如图1所示。(B) 虚线表示FLO基因在n = 2和n = 16染色体上的位置。在n = 2和n = 16中的独特FLO侧翼区的接触图（2kb分箱）。y和x轴表示基因名称和n = 2基因组中位于FLO50和-30所得的与每个基因相邻的20-kb区域用虚线加下划线。B考虑到与n = 16相比，n = 2中活性着丝粒的数量减少了8倍，我们认为这可能影响刷状结构，已知刷状结构取决于接枝密度（例如，每单位面积的聚合物末端数[n = 2核型为4，而n = 16核型为32]）。28当与n = 16相比时，在n = 2接触图中观察到降低的聚合物刷效应，如在来自n = 2和n = 16菌株的200-kb区域之间的对数比图中突出显示的，所述200-kb区域集中在保留的活性着丝粒CEN 7和CEN 15或失活的着丝粒上（图1F）。在n = 2菌株中，CEN 7和CEN 15周围的四个β-着丝粒区域与n = 16菌株（红色条纹）相比进行更14个失活着丝粒侧翼的染色质完全失去聚合物刷状构象（图S7C，log 2-比率图）。换句话说，中央银行的集体规模越大，着丝粒上的聚体序列，其绝缘程度越高。端粒缺失揭示染色体间和染色体内FLO基因接触在酵母中，异染色质位于32个端粒处及其附近，以及分别位于3号染色体左右端粒附近 的 2 个 单 独 的 交 配 型 基 因 座 HML 和HMR。4这些异染色质基因座被认为是共定位的，形成富含沉默蛋白Sir 2 - 3-4的亚核区室。[29]由于每个染色体融合体都删除了两个端粒，并重新定位了染色体臂内部的亚端粒区域，因此在n = 2的菌株中观察到28个以前的亚端粒区域停止接触并不奇怪。然而，2D标测图显示，这些区域的一个子集继续表现出离散接触（图2）。在这些接触中，交配型基因座（HML和HMR）与保留的亚端粒（图2A，红色箭头），prob-这可能是它们依赖于Sir3锚定到核内的结果[30]此外，在融合的染色体图谱上出现了一组涉及三个基因座的不同接触，这些基因座以前位于亚端粒区域内。这些先前未暴露的接触对应于FLO基因家族的成员，FLO基因家族是一组共调节的基因，其触发酵母絮凝以响应不利条件。FLO1、5、9、10和11是编码5种细胞壁糖蛋白或絮凝蛋白的端粒邻近（10-40 kb）基因。[32]絮凝蛋白的表达分别通过重组[33]、[34]和组蛋白脱乙酰酶介导的沉默在遗传学和表观遗传学上受到调节。35为了消除这些接触对应于由于基因的重复性质而导致的序列错配的可能性，我们掩蔽了它们的重复组分并仅研究这些基因侧翼的独特区域之间的接触（方法细节;图S8）。按2 kb分组的接触图Cell Genomics2，100163，2022年8月10日5会开放获取文章一个CB图3.非活动着丝粒的3D去簇延迟了它们的复制时间（A）和（B）中的每个复制定时图41、42是3次独立复制的平均表示，并且显示了在G1（a因子）非复制细胞（1kb分组）上标准化的S期（HU）同步化细胞的测序覆盖率n = 16（BY4741）的复制定时曲线以灰色显示，而n = 2大小匹配的复制定时曲线（JL402）以橙色显示。(A)具有非活性着丝粒的染色体的代表性比较图谱，n = 2，但具有活性的染色体，n = 16（括号）。(B)在n = 2和n = 16中具有活性着丝粒的15号染色体的比较概况。（C）n=16与n=2中的近红外发射。比率图显示了相对于n=2，n=16中着丝粒周围区域（~100kb）的早期发射，其中着丝粒被灭活。着丝粒位置出现在括号中并用虚线表示。窗口显示了每个FLO基因的50或30UTR附近的所有10-kb区域之间的相互作用（图2B）。令人惊讶的是，FLO9的30UTR侧翼区与邻近FLO1的两个区域强顺式接触，并与位于FLO550UTR的第三个位置反式接触（图2B）。在其他融合菌株中也观察到相同的接触模式，并通过4C样分析进一步说明（图S9）。最后，对n =16接触图的更仔细检查揭示了它们在野生型酵母染色体中的存在，其中它们在很大程度上被端粒聚类产生的接触信号所掩盖（图2B）。因此，巨染色体揭示了这些功能相关基因之间的联系，这是很难观察到野生型n = 16菌株，由于其原始的亚端粒位置。FLO基因是否活跃地成簇（以及为什么），或者这些接触是否是沉默的染色质的无透明包膜靶向的间接结果仍然未知。在n = 2接触图谱中未检测到额外的臂内和臂间非对角接触，表明酵母基因组中的稳健反式接触是罕见的。3D巨染色体组织的结构和功能结果DNA复制程序的时空改变真核生物染色体的复制在时间和空间上都受到调控。在酵母中，复制起始于约260个离散的起点，这些起点根据其发射时间（早期或晚期）进行分类。[36]通过限制复制前复杂因子的量来调节所产生的复制程序，所述复制前复杂因子在早期S期期间优先募集到早期起点，并在整个S期再循环到晚期起点。补体因子优先募集到着丝粒周围起源通过它们与动粒组分的相互作用和通过叉头转录因子与非着丝粒周围起源的相互作用。37，38提出这一观察结果是为了解释早期发射位于着丝粒附近的起源（跨度高达100 kb）。三十七，三十九鉴于在巨染色体菌株中，失活着丝粒的前着丝粒周围区域失去了与SPB的空间接近性与n = 16相比，在G1中与α-因子同步并释放到S期的细胞的DNA含量的流式细胞术显示n = 2的延迟（图S10;方法详情）。延长的S期表明n = 2的早期复制区域的潜在数量较低。为了验证这一假设，我们计算了复制配置文件，以及使用标记频率分析（MFA）的方法的起源映射。40使用α-因子将n=2和n= 16细胞阻滞在G1期，并在200 mM羟基脲（HU）存在下同步释放到S期（图S11;方法详情）。HU处理诱导脱氧核苷三磷酸（dNTP）饥饿，导致早期S期停滞。通过计算S期的染色体序列覆盖率来进行早期激发起源的作图，所述染色体序列覆盖率被归一化为G1（未复制的）并以1-kb分辨率沿着参考基因组作图（图3A、3B、S12和S13）。同时，从标准化为G1读段覆盖率的异步培养物中生成复制时序曲线（图S14）。40在n = 2和n= 16中，同源区域的复制时间分布和起源定位沿染色体臂保持高度保守然而，与n = 16相比，在n = 2的两个图中，在前近着丝粒位置附近显示出差异，在非活性着丝粒侧翼区域中失去早期放电（图3A，括号），而活性着丝粒的复制保持不受影响。6Cell Genomics2，100163，2022会开放获取文章（图3B）。在100-kb着丝粒侧翼区域内活性近着丝粒（n = 16）与非活性（n = 2）的发射比中说明了这种作用的定量（图3C和S15）。这些结果加强了~125-bp着丝粒序列在定义早期点火中的作用，并提供了酵母中复制程序4D调节的直接证据，SPB-着丝粒-动粒复合物滴定起点点火的基本组分并充当11有丝分裂折叠和分离复制后，两个姐妹染色单体（SC）在有丝分裂过程中必须在Meta，染色体结构维持（SMC）粘附素复合物不仅将SC保持在一起，而且通过沿其长度形成染色质环1011、43-46n = 2菌株能够研究染色体大小对中期和后期染色体结构的影响。使用诺考达唑在Meta阻滞细胞中进行n = 2大小匹配的Hi-C实验，并使用热敏等位基因（cdc 15 -2t45）进行后期阻滞（方法细节）。接触图和频率p（s）的比较表明，巨染色体经历了类似于n = 16条染色体的细胞周期依赖性重组（图4A和S16考虑到n = 2和n = 16菌株之间的高度序列相似性（> 99.9%，不计算亚端粒的缺失），我们推测SMC富集的位点将是保守的。为了验证这一假设，我们计算了堆积图的对数比，这些堆积图显示了中期期间Scc 1粘附蛋白沉积模式47与80 kb窗口中的非粘附蛋白位点相比（方法详情）。24，48堆积显示在细胞中的粘附素位点处接触富集的保守模式。从G1到后期，n = 2和n = 16（图4B和S16，上图），表明中期染色体上的粘着蛋白分布与染色体大小无关。此外，使用Chromosight49计算的内聚环评分在n= 16和n = 2菌株中相似（图S16，下图）。在以前的工作中，我们表明，在酵母后期，一种特定类型的SMC复合物，凝聚素，介导的rDNA和近着丝粒区域的野生型酵母的16条染色体之间的接触富集。21我们假设，缩合蛋白介导的环延伸将直接或间接促进chr 12上两个假定的“路障”--核仁和着丝粒（CEN 12）--之间形成一个大的（~300kb）环/在这项工作中，我们利用rDNA和着丝粒之间增加的距离来测量巨染色体内这种潜在的接触环/结构域的大小作为染色体融合的结果，rDNA-着丝粒距离在n = 3（LS 381）和n = 2（大小匹配，菌株：LS402）融合菌株中分别增加了5至10倍（关键资源表）。rDNA-CEN接触域的延伸通过比较从n = 16获得的2D图来测量，使用cdc 15 -2等位基因，n = 3和n = 2个细胞在G1期（当预期没有接触时）或后期停滞（预计将与rDNA-CEN联系）。在所有菌株中，比率图谱显示从邻近rDNA基因座的左侧区域到着丝粒的短程/中程接触增加，在n = 2中达到约1.7 Mb（图4C和S18）。在n = 3时，rDNA-CEN接触在整个1.5 Mb封闭区域上延伸，而在n = 2时，rDNA-CEN距离为2.8 Mb，从rDNA出现的接触富集的强度逐渐降低，并最终在距离着丝粒约1 Mb处消失，而没有形成清晰的这些结果表明，凝聚蛋白介导的环/结构域高度依赖于rDNA基因座，其似乎代表固定的路障，其可以例如提供凝聚蛋白的储库，其可以在朝向着丝粒移动的同时挤出染色质环。接触图的3D表示显示在n =2中在着丝粒和rDNA之间没有环形成（图4D）。因此，我们得出结论，已知发生在细胞周期中的染色质结构转换在巨染色体中是保守的。讨论在这项工作中，我们研究了染色体折叠的酵母菌株的基因组携带大量的染色体融合的调控。通过连续的端粒-端粒融合和着丝粒缺失，使酵母的正常核型（含16条染色体，n = 16）减少了8倍（n = 2）。[18]在这个过程中，相对较小的酵母染色体的大小急剧增加。巨染色体代表了独立于反向遗传学方法使用Hi-C研究核结构方面的独特资源Hi-C方案，特别是交联步骤，有利于顺式接触而不是反式接触。50因此，在Hi-C分析中可能忽略了代表性不足的反式[51]因此，我们推断，在融合基因组中，这种技术限制至少可以部分地被规避，在融合基因组中，许多反式接触变成了顺式接触。值得注意的是，这个简单的工作模型没有考虑到接触变异性，这种变异性可能是由于染色质性质的差异，当反式基因座顺式重新定位时，也没有考虑到增加的染色体长度。这些是可能在接触检测中发挥关键作用的潜在因素最近用类似的方法研究了一种不同但相关的融合构型的染色体组织。然而，这项研究是在异步细胞中进行的，并没有解决这些新的3D基因组组织的一些功能方面。在这里，我们解决了这个问题，并比较了两个n = 2的菌株与大小匹配与不匹配的版本的巨染色体，并表征其性质相比，常规n = 16亲本基因组。细胞周期中融合核型的核占有率和基因组结构我们观察到，大小匹配的巨染色体比标准染色体占据更大比例的总核空间。为什么这种趋势在不匹配的巨型染色体菌株中没有看到我们只能推测，细胞能够感知总的数量和长度，Cell Genomics2，100163，2022年8月10日7会开放获取文章A BCD图4.巨染色体的细胞周期重组(A) p（s）G1、中期和后期同步化细胞的衍生物。上图和下图分别显示了沿着n = 2条染色体和n = 16条染色体的斜率衰减（相对于n = 16的Hi-C数据来自Dauban等人和Lazar-Stefanita等人，9，11）。(B) 80 kb窗口（2 kb箱）的堆积比图集中在G1、中期和后期期间Scc1富集或随机选择的位置对上根据n = 2和n = 16菌株中Scc 1结合位点之间的距离对比率进行排序蓝色到红色的颜色标度表示与随机基因组位置（log2）相比Scc1结合位点之间的接触富集(C) 着丝粒-rDNA接触在融合基因组中延伸超过Mb距离在n = 16、n = 3和n = 2（50 kb分组）中比较G1和后期之间的对数比接触图染色体的大小和着丝粒-rDNA距离从左到右接触图逐渐增加。着丝粒（黄色）和rDNA（粉红色）的位置，以及它们的相对距离（Mb），显示在地图的顶部蓝色至红色的颜色标度反映了与G1（log2）相比，后期的接触富集为清楚起见，n = 16。数据复制自Lazar-Stefanita等人。21(D) n = 2 G1和后期接触图的3D平均表示颜色代码反映了16条天然染色体，并突出显示了着丝粒，端粒和染色体并相应地调节它们的核体积。一种假设是两个不匹配的巨染色体之间的大小不一致（~3Mb对~9Mb）不能有效地诱导如大小匹配的细胞中的核增加进一步的研究需要验证这一假设和参与这种染色体-核通讯的分子机制。此外，n = 2的不匹配菌株还含有与大小匹配的n = 2和n = 16菌株相比，携带过量DNA含量的细胞群体更大（图S4），这与自多倍化的轻微增加一致鉴于这些观察结果，我们推测，在染色体数目减少的情况下，需要大小匹配的核型来维持倍性。8Cell Genomics2，100163，2022会开放获取文章我们已经证明，染色质的结构和它在细胞周期中的动态重组是独立于融合染色体长度而维持的此外，酵母染色体构型的关键标志，如着丝粒和端粒簇，在整个细胞周期中是保守的。这些结果与沿着大染色体的Scc1结合位点之间的全基因组这种G2/MCohesin依赖性折叠的保守性表明，浓缩的酵母染色体的长度相反，凝聚蛋白介导的染色质拉动可能是促进遗传物质在M期子细胞之间有效分离的主要驱动力。52最后，融合的染色体允许评估的潜在扩展的凝聚蛋白依赖CEN-rDNA后期循环，报告chr 12的野生型酵母。11，53我们发现，在有丝分裂中，着丝粒和rDNA相互接触的距离不超过1.7Mb。我们的假设是，凝聚素可能会挤出各种大小的DNA环，这些DNA环逐渐合并，但最终在到达其他主要的凝聚素装载中心和/或路障（着丝粒）之前从染色体上卸载。在秀丽隐杆X染色体的剂量补偿期间，也设想了类似的情况。54对着丝粒和端粒的影响我们表明，尽管染色体的大小的巨大增加，酵母染色体折叠的更好的方面是整体保存在n = 2的然而，观察到局部接触变化，特别是在失活的着丝粒和缺失的端粒周围。以前pericentromeric和subtelomeric区域内部染色体臂的位置重新定位揭示了直接的功能方面与他们的3D定位。着丝粒一直被认为是早期复制的区域。39，55，56它们的时间调节被证明依赖于限制性复制前因子Dbf4的优先募集，Dbf 4通过其与动粒组分Ctf 19的物理相互作用在近着丝粒处。38，39因此，有人提出，位于着丝粒附近的起源由于其Dbf 4富集而提前点火。在这里，我们表明着丝粒的结构失活（其中一些限于3-bp缺失;参见Luo et al.18）导致其周围的早期射击损失因此，我们的研究结果是一致的建议，着丝粒簇作为一个复制工厂，滴定限制因素，以确保同步发射泛染色体复制。我们还揭示了涉及异染色质倾向基因座的子集和功能相关基因家族（FLO基因）的成员的相互作用沉默的交配型位点HML和HMR和遥远的剩余端粒之间的联系也显示在我们的早期工作，依赖于沉默复合物，SIR。在这里，我们描述了HML和FLO10（另一种sir依赖性复合物）之间的额外接触（图S9FLO10是絮凝蛋白基因家族的一员，编码细胞表面糖蛋白（FLO1、5、9、10和11），赋予琼脂、固体表面和其他酵母细胞粘附性FLO基因是subtelomeric，一个位置建议在他们的进化中发挥重要作用。33，57我们已经表明，FLO及其侧翼序列保持相互接触的顺式和反式，揭示了其内在的能力，共定位，即使不再亚端粒。由于这些基因在我们的菌株中不表达，58我们推测它们的共定位与它们的功能活性无关，并且可能与它们的表观遗传沉默有关。值得注意的是，发现与FLO9在空间上接近的FLO1和FLO5在Shao等人发表的单染色体核型n = 1的设计中均被删除。[19]事实上，我们和后一项工作的作者都无法检测到这些基因的侧翼区域之间的接触，这些基因在缺失后部分保留下来。总之，对巨染色体的研究揭示了大量关于基因组组织的可塑性、核体积和DNA复制的控制以及染色体前未被发现的染色体间接触的新信息STAR方法本文件的在线版本提供了详细的方法，包括以下内容：d关键资源表d资源可用性B电极导线触点B材料供应情况B数据和代码可用性d实验模型和子系统d方法样本B培养基和培养条件B斑点试验B脉冲场凝胶电泳BDNA染色B成像DNA占有率和核大小B细胞周期进展B细胞同步化BHi-C：文库制备BHi-C：数据处理B复制定时BRNA-seqB基因组注释d量化和统计分析补充信息补 充 信 息 可 以 在 www.example.com 上 找 到 https://doi.org/10.1016/j 。xgen.2022.100163。致谢我们感谢Vittore Scolari对絮凝蛋白基因接触分析的讨论和建议。我们感谢Laura McCulloch和Vittore Scolari对手稿的评论。这项工作得到了国家科学基金 会 资 助 MCB-1616111 和 MCB-1921641 的 部 分 支 持 。 L.L.- S. 部 分 由Fondation pour la Recherche Me 'dicale提供的奖学金支持。这项研究得到了R.K.欧洲研究理事会根据地平线2020计划（ERC赠款协议771813）。Cell Genomics2，100163，2022年8月10日9会开放获取文章作者贡献L.L.-美国，R.K.，和J.D.B.设计了这项研究。L.L.-美国，AT和J.L.完成了实验。L.L.-美国，R.M.，和X.S.分析了数据，与贡献，从A.T. J.M.生成了3D表示。L.L.-美国，R.K.， 和J.D.B.我写了手稿。申报利益J.D.B.是CDI Labs的创始人和董事，Neochromosome，Inc的创始人，Re-Open Diagnostics 的 创 始 人 和 顾 问 ， 并 在 Modern Meadow ， RomeTherapeutics ， Sample 6 ， Sangamo ， Tessera Therapeutics 和 WesselsInstitute的科学顾问委员会任职或其余作者声明没有利益冲突。投稿时间：2021 - 08 -修订日期：2022接受日期：2022发布时间：2022引用1. Goffeau，A.，Barrell，B.G.，Bussey，H.，戴维斯，R.W.，Dujon，B.，Feldmann，H.，Galibert，F.，Hoheisel，J.D.，Jacq，C.，约翰斯顿，M.，等（1996）中所述。有6000个基因的生命科学274，546-563-7。2. 格雷戈里，T.R.，Nicol，J.A.，Tamm，H.，Kullman，B.，Kullman，K.，Leitch，I.J.，Murray，B.G.，Kapraun，D.F.，Greilhuber，J.，和Bennett，M.D.（2007年）。 欧盟基因组大小数据库。Nucleic AcidsRes.35，D332-D338.3. 格雷戈里，T.R.（2001年）的第10页。巧合、共同进化还是因果关系？DNA含量、细胞大小和C值之谜。Biol. Rev. Camb. Philos.Soc.76，65-101.4. Taddei，A.，和Gasser，S. M.（2012年）。芽殖酵母细胞核的结构与功能。Genetics 192，107-129.5. Brickner，D.G.，Sood，V.，Tutucci，E.，库科斯河Viets，K.，辛格，R.H.，和Brickner，J.H.（2016年）。GAL1 -10基因座的亚核定位和染色体间聚类是由可分离的、相互依赖的机制控制的。摩尔细胞27，2980-2993。6. Taddei，A.，Van Houwe，G.，Nagai，S.，厄布岛，van Nimwegen，E.，和Gasser，S. 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