核染色体的位置与分离错误频率

撰文 | 十一月

非整倍体（Aneuploidy）是指细胞基因组含量偏离单倍体数目整倍性的状态，在人类体内发生会导致流产以及发育综合征，并且与肿瘤的发生密切相关【1】。非整倍体通常是由于细胞分裂过程中染色体分离错误所导致的，比如微管动力学改变、超稳定着丝粒微管连接、内聚性问题或纺锤体组装检查点（Spindle assembly checkpoint，SAC）活性减弱等等【2】。有丝分裂的错误也因为微核的形成导致核膜破裂，出现广泛的基因组的重排而导致非整倍性体，癌症中表现出不同的非整倍体模式。那么非整倍体不同模式的出现是否是随机的呢？如果不是，导致非整倍体出现的偏差因素又是什么呢？

2022年7月13日，荷兰乌得勒支大学医学中心Geert J. P. L. Kops研究组在Nature上发表了文章Nuclear chromosome locations dictate segregation error frequencies，利用有丝分裂后单细胞DNA测序scKaryo-seq（Single-cell karyotype sequencing）技术，发现来不同的染色体有不同的分离错误频率，进而探究非整倍体结构出现的偏差影响因素，为理解癌症基因组进化过程以及非整倍体出现的机制提供了新的思考。

为了建立单个染色体错误的分离的频率与特征，作者们使用了单细胞核型测序技术scKaryo-seq【3】。该技术可以高保真以及高通量地测定单细胞中所有染色体的拷贝数状态。作者们使用了一种被成为Cpd-5的有丝分裂激酶MPS1小分子抑制剂，在低浓度使用下可以在大多的细胞中引发错位和滞后分离的染色体。这与癌症细胞中经常出现的有丝分裂错误非常类似。随后作者们在Cpd-5施用4个小时后的几百个出现染色体分离错误的细胞进行了scKaryo-seq，发现每个非整倍体平均产生5.5个染色体分离错误，共有2,417条可量化的完整和结构染色体，由此可以建立一个非整倍体景观分析图谱。

通过所建立的scKaryo-seq图谱，作者们发现染色体1-5、8、11以及X染色体中错误分裂的概率比所预期的随机的错误的频率要显著增加，而染色体15以及19-22比所预期的随机概率则要低得多。通过使用二倍体成纤维细胞以及人类肠道类器官细胞系，作者们也发现了相似的染色体分离错误偏差。进一步地，作者们通过对不同染色体着丝粒荧光原位杂交实验进一步验证了scKaryo-seq观测到的非整倍体景观特征是染色体分裂偏差引起的。另外，通过其他的方式比如Aurora B小分子抑制剂引发的分离错误、低浓度诺考达唑引发的染色体错位等均会出现特定的染色体分离错误的初始偏差。

错误分裂的染色体通常会被包裹在微核之中，微核中的染色体会导致广泛的染色体重排，这是促使肿瘤基因组进化的重要因素，因此，作者们想知道在分离错误后，细胞中微核的含量是否也会具有相似的初始偏差。为此，作者们通过荧光激活细胞分选的方式分离微核，并通过测序来评估其含量，作者们将该技术称为MN-seq。作者们发现微核的含量与错误分离的染色体具有相关性，均是非随机出现。因此，具有较高分离错误概率的染色体会更多地被困在微核里且癌细胞中出现染色体分离错误并非随机。

那么这种染色体分离错误初始偏差出现的最初源头是什么呢？作者们提出了一个假设认为外周染色体比中心染色体更容易错误分离，因为它们需要走更远的距离才能到达赤道板，因此距离核中心的距离可能是染色体分裂错误出现初始偏差的原因。为此，作者们通过染色体位置随机化、Cas9蛋白介导的实时追踪以及染色体重新强制定位等实验确认，距离核中心位置更大距离的染色体更容易出现错误分离的倾向。另外，较大的染色体也更容易发生染色体非整倍性，因为这些染色体也优先位于核外周区域。

总的来说，作者们的工作通过二倍体细胞系以及类器官细胞等，通过引入有丝分裂后染色体分离错误并进行单细胞测序，发现染色体错误分离出现的频率并非随机，而且错误分离的染色体也会优先被包裹进入微核。另外，作者们发现这种染色体分离错误的出现初始偏差的与染色体在细胞核中位置相关。该研究结果揭示了核染色体位置、分离错误频率和微核含量之间的直接联系，对于理解肿瘤基因组进化和发育过程中特定非整倍体的起源具有重要的意义。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04938-0

制版人：十一

参考文献

1. van Jaarsveld, R. H. & Kops, G. J. P. L. Difference makers: chromosomal instability versus aneuploidy in cancer.Trends Cancer2, 561–571 (2016).

2. Compton, D. A. Mechanisms of aneuploidy.Curr. Opin. Cell Biol.23, 109–113 (2011)

3. Bolhaqueiro, A. C. F. et al. Ongoing chromosomal instability and karyotype evolution in human colorectal cancer organoids.Nat. Genet.51, 824–834 (2019)

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