PART.01?引言：揭開(kāi)基因組印記的神秘面紗
雞（Gallus gallus）作為重要的家禽物種，不僅提供了高性價(jià)比的動(dòng)物蛋白來(lái)源，也是進(jìn)化與發(fā)育生物學(xué)研究的關(guān)鍵模型，并在2023年，完成了首個(gè)端粒到端粒的完整基因組組裝。然而，基于單一品種的參考基因組難以全面揭示不同雞種間的遺傳多樣性，尤其在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)變異層面。
近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的頂尖科研團(tuán)隊(duì)牽頭，聯(lián)合了江蘇省家禽科學(xué)研究所、海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，共同完成了雞泛三維基因組圖譜的繪制與深度解析工作，并在《Advanced Science》發(fā)表了題為《Pan-3D Genome Analysis Reveals the Roles of Structural Variation in Chicken Chromatin Architectures, Domestication and Production Traits》的研究論文。該研究首次構(gòu)建了雞的泛三維基因組圖譜，系統(tǒng)揭示了結(jié)構(gòu)變異通過(guò)調(diào)控染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)影響雞馴化與生產(chǎn)性狀的分子機(jī)制，為家禽三維基因組研究和精準(zhǔn)育種提供了“三維結(jié)構(gòu)級(jí)”的范式參考。
PART.02?主要成果
1. 泛三維基因組譜的繪制
研究人員基于 HiFi 長(zhǎng)讀長(zhǎng)和 Hi-C 測(cè)序技術(shù)，從頭組裝了 15 個(gè)覆蓋中國(guó)主要地理區(qū)域的地方雞種染色體水平基因組，且成功組裝出與雞 T2T 參考基因組一致的染色體類型（10 條大染色體、19 條微染色體、10 條點(diǎn)染色體） (圖1a, c, d)。
研究人員通過(guò)整合這 15 個(gè)新組裝基因組和 13 個(gè)已發(fā)表高質(zhì)量基因組，構(gòu)建了包含 28 個(gè)全球雞品系（涵蓋紅原雞、商用蛋雞 / 肉雞、地方雞種）的泛基因組。該泛基因組具有高度代表性，其遺傳模式與全球家雞群體數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)高度相似的分布特征，且相關(guān)性極顯著（p<0.001）。該研究共鑒定出 28443 個(gè)泛基因家族，進(jìn)化分析顯示，高度保守家族具有更高的 dN/dS 比值和更低的核苷酸多樣性（Pi），這個(gè)現(xiàn)象提示，雞的這些基因經(jīng)歷了長(zhǎng)期正選擇，隨后又發(fā)生了近期選擇性清除。 (圖1e, 圖2a-g)：（dN 代表非同義替換速率，指可引起氨基酸序列改變的核苷酸突變速率；dS 代表同義替換速率，指不改變氨基酸序列的沉默突變速率。二者的比值 dN/dS 是判斷基因受到自然選擇類型的核心指標(biāo)：dN/dS > 1 提示基因受到正選擇，有利于適應(yīng)性進(jìn)化；dN/dS ≈ 1 為中性進(jìn)化；dN/dS < 1 則表明基因受到強(qiáng)烈的純化選擇，以維持功能穩(wěn)定）
2.?泛基因組中新序列與結(jié)構(gòu)變異（SV）的全基因組景觀
該泛基因組相比雞?T2T?參考基因組，捕獲了?200.04 Mb?的新序列（每個(gè)樣本?13.96~44.34 Mb），新序列的串聯(lián)重復(fù)（TR）和轉(zhuǎn)座元件（TE）占比，顯著高于基因組常規(guī)序列，且新序列中的基因富集于骨骼肌相關(guān)通路，與育種選擇的生產(chǎn)性狀密切相關(guān)。
基于該泛基因組，研究人員共鑒定出 8.1 萬(wàn)余個(gè)高置信度 SV；相對(duì)于 T2T 參考基因組，每個(gè)新組裝基因組的新序列平均檢測(cè)率約 2.73%，充分證明了泛基因組對(duì)單一參考基因組中缺失的隱藏遺傳信息的強(qiáng)大捕獲能力（圖 2h-i）。（圖2k-m）展示了SV的類型、大小分布及其極低的保守性（<3%為所有個(gè)體共有），暗示SV是產(chǎn)生快速遺傳多樣性的主要驅(qū)動(dòng)力。
3.高分辨率雞泛三維基因組圖譜的構(gòu)建與特征
為解析基因組變異如何塑造三維基因組結(jié)構(gòu)，本研究繼續(xù)整合?15?個(gè)雞基因組的?Hi-C、ATAC-seq?和?RNA-seq?數(shù)據(jù)，進(jìn)行多組學(xué)分析，構(gòu)建了首個(gè)雞泛三維基因組圖譜。作者發(fā)現(xiàn)，SV在高度保守的TAD邊界（Topologically?Associating?Domain,?拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域）被顯著“清除”。這表明TAD邊界是三維基因組中功能至關(guān)重要的“承重墻”，其結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈的純化選擇保護(hù)，不容輕易被SV破壞。
全基因組范圍內(nèi)，染色質(zhì)環(huán)的保守性與 SV 覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)，和TAD邊界的規(guī)律完全一致。高度保守的核心型染色質(zhì)環(huán)中，SV 被顯著清除（耗竭），說(shuō)明核心環(huán)作為基因組關(guān)鍵調(diào)控單元，受到極強(qiáng)的純化選擇保護(hù)，絕大多數(shù)發(fā)生在核心環(huán)的 SV 都會(huì)因有害效應(yīng)被選擇淘汰。但一旦有 SV 成功在核心環(huán)中保留下來(lái)，就會(huì)直接改變核心調(diào)控通路，帶來(lái)巨大的表型效應(yīng)，這些極少數(shù)的 SV，恰恰就是人工馴化 / 育種的核心靶點(diǎn)(圖3q)。
4. TSHR-DIO2軸是雞馴化過(guò)程中人工選擇的核心靶點(diǎn)
通過(guò)基因組選擇信號(hào)掃描，5?號(hào)染色體上TSHR（促甲狀腺激素受體）和DIO2（2型碘甲腺原氨酸脫碘酶）兩個(gè)關(guān)鍵基因被鑒定出來(lái)（圖?4e）。通過(guò)進(jìn)一步的泛?SV?數(shù)據(jù)集的深度挖掘，研究人員在?TSHR?基因內(nèi)部鑒定到一個(gè)240 bp?的INS，該變異僅存在于野生紅原雞中，是區(qū)分野生與家養(yǎng)群體的標(biāo)志性變異（圖?4f）。同時(shí)，在DIO2基因區(qū)域鑒定到一個(gè)81 bp?的DEL，該變異在所有家雞群體中被快速固定，而在紅原雞中頻率極低。?(圖4a-l)
本研究證實(shí)了雞的人工選擇是通過(guò)清除 TSHR 的 240 bp 插入變異和 固定DIO2 的 81 bp 缺失，重塑了該核心環(huán)路的互作網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致下游基因表達(dá)模式改變，從而抑制了家雞的季節(jié)性繁殖行為，使其能夠全年穩(wěn)定產(chǎn)蛋（圖 4j-l）。
5. SV通過(guò)“重寫(xiě)”染色質(zhì)環(huán)影響胴體性狀
本研究還在KLF3 基因上游鑒定到一個(gè) 266 bp 缺失變異，是傳統(tǒng) SNP 檢測(cè)無(wú)法捕獲的隱藏遺傳位點(diǎn)，可顯著負(fù)調(diào)控雞的胴體性狀；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該缺失通過(guò)重寫(xiě)染色質(zhì)環(huán)互作網(wǎng)絡(luò)改變遠(yuǎn)程調(diào)控關(guān)系，下調(diào) KLF3 以及通過(guò)染色質(zhì)環(huán)遠(yuǎn)程調(diào)控的Tbc1d1、PGM2等代謝相關(guān)基因的表達(dá)，最終降低肉雞的胴體性能。
6. SV提升基因組選擇預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性
將結(jié)構(gòu)變異（SV）納入基因組選擇模型，可顯著提升雞重要經(jīng)濟(jì)性狀的預(yù)測(cè)精度，尤其對(duì)生長(zhǎng)和胴體性狀效果突出，為 SV 作為新型分子標(biāo)記應(yīng)用于家禽精準(zhǔn)育種提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
PART.03?總結(jié)
研究整合了15個(gè)新組裝和13個(gè)已發(fā)表的高質(zhì)量雞基因組，并首次結(jié)合Hi-C、ATAC-seq、RNA-seq多組學(xué)數(shù)據(jù)，繪制了首個(gè)能同時(shí)反映基因、結(jié)構(gòu)變異和三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的“泛三維基因組”圖譜。
鎖定了馴化關(guān)鍵靶點(diǎn)“TSHR-DIO2軸”：明確了野生原雞TSHR基因中的 240 bp 插入、DIO2基因中的 81 bp 缺失，是家雞馴化過(guò)程中受強(qiáng)人工選擇的關(guān)鍵變異。
發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變異“重寫(xiě)”染色質(zhì)環(huán)的新機(jī)制：KLF3基因上游一個(gè)266-bp缺失會(huì)降低KLF3及其遠(yuǎn)端基因Tbc1d1和PGM2的表達(dá)，影響肉雞屠宰性狀。
證實(shí)結(jié)構(gòu)變異提升基因組選擇育種精度：在預(yù)測(cè)雞生產(chǎn)性狀的基因組選擇模型（SVC、GBLUP、ssBLUP、rrBLUP ）模型中，單獨(dú)加入結(jié)構(gòu)變異信息（相比SNP）可顯著提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性（尤其對(duì)生長(zhǎng)和肉雞屠宰性狀），證明了其作為新型分子標(biāo)記在精準(zhǔn)育種中的直接應(yīng)用價(jià)值。
