食蟹猴和獼猴是生物醫(yī)學(xué)研究中非常重要的非人靈長類模型，廣泛應(yīng)用于人類疾病研究。然而，它們的基因組復(fù)雜性和種間遺傳差異尚未完全闡明。近日，來自中國上海交通大學(xué)的毛亞飛老師研究團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院腦科學(xué)研究所的孫強(qiáng)老師研究團(tuán)隊(duì)一起，在著名頂刊《Nature》上發(fā)表了題為“Integrated analysis of the complete sequence of a macaque genome”的論文，通過構(gòu)建食蟹猴的完整T2T基因組，填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白，為理解靈長類進(jìn)化、基因調(diào)控機(jī)制以及優(yōu)化生物醫(yī)學(xué)模型提供了重要資源。

?

研究團(tuán)隊(duì)通過孤雌生殖技術(shù)獲得了一個(gè)穩(wěn)定的二倍體食蟹猴胚胎干細(xì)胞系（MFAS82-1），并利用53× PacBio HiFi、77× ONT ultra-long和Hi-C等多種測序數(shù)據(jù)，經(jīng)過多輪組裝和手動(dòng)調(diào)整，最終完成了食蟹猴端粒到端粒（T2T）完整的基因組組裝（T2T-MFASv1.1），填補(bǔ)了此前基因組中的空白區(qū)域，基因組大小為3.06Gb，NG50達(dá)到了162.13Mb，QV值更是達(dá)到71.27。

注釋預(yù)測了21,119個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因和12,077個(gè)非編碼基因，并發(fā)現(xiàn)了204個(gè)新基因，包含112個(gè)新發(fā)現(xiàn)的融合基因。通過全長轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)這112個(gè)融合基因在食蟹猴體內(nèi)均有表達(dá)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了795個(gè)在食蟹猴和獼猴中差異存在的選擇性剪接事件，包含577個(gè)基因，作者驗(yàn)證了其中110個(gè)外顯子跳躍事件。例如，PNPO基因的第5號(hào)外顯子在食蟹猴中普遍發(fā)生選擇性剪切，而在獼猴中則未發(fā)現(xiàn)。

圖1：完整的食蟹猴T2T基因組

圖2：融合基因和可變剪切位點(diǎn)

?

研究成功組裝了約4.56 Mbp的rDNA區(qū)域，并通過微滴數(shù)字PCR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)果。與人類基因組不同，食蟹猴基因組中僅存在一個(gè)rDNA區(qū)域，F(xiàn)ISH技術(shù)對(duì)多種獼猴物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也均支持這一結(jié)論。

通過T2T基因組成功解析了122.51 Mbp的節(jié)段重復(fù)區(qū)域（SDs）。其中，65.23 Mbp為染色體間節(jié)段重復(fù)，101.97 Mbp為染色體內(nèi)節(jié)段重復(fù)，與人類基因組（T2T-CHM13v2.0，227.36 Mbp）相比，食蟹猴基因組的SDs減少了104.85 Mbp。

食蟹猴的著絲粒由不同的α-衛(wèi)星超染色體家族組成，此前尚未在全基因組水平上得到全面解析。本研究發(fā)現(xiàn)，食蟹猴的著絲粒主要由SF7衍生的序列構(gòu)成，兩側(cè)則分布著較小的、更古老的SF8-SF13片段，這些區(qū)域的核心部分由S1S2a和S1S2b二聚體組成，外圍則分布著更為多樣化的小片段。

圖3：食蟹猴著絲粒和SDs等區(qū)域解析及PNPO可變剪切驗(yàn)證

?

為更好的理解食蟹猴（MFA）和獼猴（MMU）的遺傳差異，作者通過三代測序分別構(gòu)建了食蟹猴和獼猴的泛基因組圖譜，發(fā)現(xiàn)了總長度約為240Mb的370個(gè)SDR熱點(diǎn)區(qū)域。這些熱點(diǎn)區(qū)域包含17個(gè)基因，每個(gè)基因至少有四個(gè)拷貝。同時(shí)，通過基因分型和拷貝數(shù)變異分析，鑒定出26個(gè)在MFA和MMU之間表現(xiàn)出顯著變異的基因。

為了更深入地了解MFA和MMU的固定和多態(tài)性遺傳變異，作者利用94個(gè)MFA個(gè)體、67個(gè)CMMU個(gè)體和88個(gè)IMMU個(gè)體的WGS數(shù)據(jù)，通過PanGenie鑒定了558,157個(gè)SNVs、76,997個(gè)InDels和2,797個(gè)SVs。

作者采用綜合方法（π多樣性、FST和XP-EHH）鑒定了約16.76 Mbp的基因組區(qū)域，這些區(qū)域在MFA-CMMU和MFA-IMMU之間均表現(xiàn)出遺傳分化。相關(guān)基因涉及包括糖原代謝、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育以及干細(xì)胞多能性調(diào)控等多種生物學(xué)功能。這些新發(fā)現(xiàn)的固定遺傳差異可能由選擇或遺傳漂變塑造，是未來功能實(shí)驗(yàn)的重要資源，可用于闡明MFA和MMU之間的各種表型差異。

此外作者結(jié)合泛基因組和其他數(shù)據(jù)，解析了MFA和MMU之間存在的倒位和著絲粒物種特異性差異。

圖4：20個(gè)單倍型解析的獼猴和食蟹猴基因組解析遺傳差異區(qū)域

?

作者通過T2T-CHM13v2.0和T2T-MFA8v1.1共線性分析和手動(dòng)校正鑒定了171個(gè)同源區(qū)域，這些同源區(qū)域在靈長類進(jìn)化過程中被11個(gè)著絲粒重定位、78個(gè)倒位和4個(gè)染色體內(nèi)易位分隔。其中21個(gè)大尺度基因組重排是本文首次報(bào)道。作者選擇了三個(gè)區(qū)域進(jìn)行FISH驗(yàn)證并證實(shí)。在93個(gè)大尺度基因組重排及其斷點(diǎn)±500 kbp區(qū)域內(nèi)，共包含1,462個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。其中，482個(gè)基因在人類和獼猴大腦中的表達(dá)存在顯著差異。除了組織水平的差異表達(dá)基因分析外，作者還結(jié)合了人類和獼猴腦組織的scRNA-seq數(shù)據(jù)，鑒定出414個(gè)基因，這些基因不僅在大腦組織中表達(dá)水平不同，還在細(xì)胞類型中表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式。

在這些基因中，FOLH1和FOLH1B尤其引人注目，在人類中，FOLH1B基因含有一段1,393 bp的特異性缺失，人類的FOLH1在少突膠質(zhì)細(xì)胞中表現(xiàn)出高且特異的表達(dá)，而FOLH1B在腦細(xì)胞中的表達(dá)極低。通過單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)和ENCODE數(shù)據(jù)庫，作者證實(shí)了FOLH1B缺失區(qū)域中存在三個(gè)調(diào)控元件，這一特異性缺失很可能改變了FOLH1B在人類中的轉(zhuǎn)錄。此外，FOLH1在不同腦細(xì)胞類型中的表達(dá)模式在人類和獼猴之間存在顯著差異。進(jìn)一步分析了Hi-C數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)獼猴FOLH1基因組區(qū)域內(nèi)存在兩個(gè)潛在的sub-TADs。相比之下，人類FOLH1區(qū)域中未觀察到明顯的sub-TADs。這些差異表明，FOLH1在人類和獼猴之間的易位重復(fù)可能驅(qū)動(dòng)了不同細(xì)胞類型中的基因表達(dá)變異，進(jìn)而改變了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和調(diào)控景觀。

圖5：人和食蟹猴基因組差異比較

圖6：人和食蟹猴FOLH1和FOLH1B差異演化

?

結(jié)語

本文通過完整的食蟹猴T2T基因組denovo組裝和多組學(xué)分析，不僅為食蟹猴的生物醫(yī)學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)的遺傳基礎(chǔ)，還深化了對(duì)靈長類進(jìn)化、基因組結(jié)構(gòu)變異和基因調(diào)控機(jī)制的理解。研究結(jié)果具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值，為未來的人類疾病研究和靈長類進(jìn)化研究提供了新的方向和資源。

?

參考文獻(xiàn)

Zhang, S., Xu, N., Fu, L.?et al.?Integrated analysis of the complete sequence of a macaque genome.?Nature?(2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08596-w

?

華命生物產(chǎn)品服務(wù)一覽

?