CGM第388期：Evolution by Gene Duplication in the 3D Genome

真核生物的染色质在细胞核内的分布并不是随机的，而是形成染色体疆域、A/B区室、拓扑相关结构域和染色质环等层级结构。三维基因组构型与转录和复制等重要细胞功能密切相关，然而染色质空间构象对基因组演化的潜在影响仍有待研究。

近期，我们从三维基因组的角度研究了逆转录转座基因拷贝(retrotransposed gene copies，即retrocopies)的功能和进化(Yan et al. 2023)。通过综合分析了人、小鼠等七种哺乳动物基于测序(Hi-C、SPRITE)和基于显微图像(MERFISH、seqFISH+)的高分辨率染色质互作，我们发现哺乳动物中retrocopies和它们的亲本基因之间展示出显著的染色体间互作/共定位。人细胞系中retrocopies和亲本基因的共定位倾向于发生在活跃的A1和A2亚区室，并且共定位的retrocopies和亲本基因离核斑的空间距离较近。此外，在人和小鼠中的分析表明与亲本基因存在共定位的retrocopies具有更高的RNA表达水平、更活跃的表观修饰状态、更大的多肽翻译潜能以及更强的跨物种保守性，暗示retrocopies与亲本基因在细胞核中的空间互作与它们重新获得功能有关。最后，通过对人类群体中存在多态性的retrocopies (即retroCNVs)进行群体遗传分析，我们发现retrocopies在三维基因组中的分布模式可能与转座偏好及插入位点的群体遗传环境相关。具体来说，与亲本基因共定位的retroCNVs所处基因组区域具有更小的局部有效群体大小，使得弱有害的retroCNVs更容易发生非适应性的固定。

总的来说，本研究表明retrocopies与亲本基因的三维空间共定位为它们的“复活”提供了有利的表观基因组环境，同时也为调查其他基因组中性区域如何演化成有功能的调控元件或基因提供新的思路。需要注意的是，此前我们发现存在空间互作的DNA大片段具有相似的突变率和进化速率(Yan et al. 2020)，共同表明三维染色质构型对基因组的进化具有重要的影响。