揭示初发X/Y性染色体的起源及其演化机制
近日，华中农业大学水产学院、湖北洪山实验室梅洁教授研究团队与中国科学院水生生物研究所桂建芳院士研究团队合作研究成果以“Origin and chromatin remodelling of young X/Y sex chromosomes in catfish with sexual plasticity”为题在National Science Review发表。
研究在性别可塑性鱼类中揭示出初发的性染色体通过常染色体融合以及染色质重构驱动X/Y性染色体起源的演化机制，为早期性染色体的起源、重组抑制的形成以及性染色质三维结构重构驱动的鱼类性别可塑性提供了新的见解，同时也为基于鱼类性染色体的三维结构重塑建立鱼类性别重置技术和性别控制育种提供了新思路。
性染色体由于其特殊且多样的演化轨迹，一直是演化生物学和发育生物学令人着迷的研究热点。不同于哺乳动物和鸟类存在明显分化的异型性染色体，多数鱼类的性染色体仍处于演化的早期阶段，目前只有不到1%的硬骨鱼类中观察到存在异型性染色体，这也使得鱼类拥有多样的性别决定机制，包括遗传性别决定（GSD）、环境性别决定（ESD）和GSD+ESD，表现出非凡的性别可塑性。
然而，目前大多数性染色体的研究聚焦于异型性染色体，同时准确区分并组装出分化程度较低的X和Y染色体存在较大难度，这使得驱动“年轻”性染色体重组抑制的建立以及性染色体可塑性的机制目前尚不清晰。
黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）为鲇形目鲿科鱼类，表现为相对稳定的遗传性别决定类型，人工诱导性逆转促使黄颡鱼对环境因素（温度）比较敏感，高温能压倒遗传性别决定的作用，这使得黄颡鱼成为研究鱼类遗传性别决定与环境性别决定的关联及其调控机制的理想模型。
研究团队经过多年合作，通过遗传和温度性别决定的转换机制创制了黄颡鱼XX伪雄鱼和全雌配套系，为黄颡鱼性控育种提供了育种材料。
▲黄颡鱼性染色体的起源和演化
研究团队在前期培育出YY超雄黄颡鱼的基础上，对XX和YY黄颡鱼进行了测序组装，成功得到了高质量的X和Y染色体序列并定位到了约300 kb的性别决定区域（SDR）。通过对X和Y染色体进行比较分析，发现黄颡鱼的X和Y染色体的序列差异仅不到1%，未观察到染色体的重排及演化断层，说明黄颡鱼的性染色体仍处于演化初期。
另外，X和Y染色体具备相同的基因共线性以及相似的重复序列比例，仅存在一些Y染色体特异的SNP、INDEL和转座元件。这一发现支持了染色体重排是重组抑制的结果而不是原因的理论，也说明性别特异的突变和转座元件可能是性染色体重组抑制建立的主要驱动力。同时，本团队先前报道的性别决定候选基因pfpdz1刚好位于SDR，并且在该基因的内含子区域发现存在Y特异的DNA转座子和LTR，可能通过转座子介导的表观调控参与性别决定。
另外，该研究通过对四种已知性染色体的鲇形目鱼类进行比较发现，鲇形目可能存在频繁的性染色体转换，这也为鲇形目的性染色体普遍分化程度较低提供了解释。值得注意的是，该研究发现黄颡鱼的性染色体可能起源于两条常染色体的融合，并且在融合位点的下游形成了一个高度重排区域（HRR），SDR刚好位于该区域的中心，说明频繁的染色体重排事件可能促使了SDR的出现。
▲黄颡鱼性染色体三维结构重塑及动态的基因表达
通过开展三维基因组分析，该研究发现黄颡鱼的Y染色体相对X染色体具备更加松散的三维结构，伴随着相对更高的基因表达水平。该研究还观察到了Y染色体SDR存在的显著顺式相互作用，同时X和Y染色体分别与常染色体上参与维持雌雄生理活动相关基因存在显著的反式调控。
▲黄颡鱼性染色体演化及三维结构重塑模型
有趣的是，通过使用芳香化物酶抑制剂来曲唑处理诱导XX雌性黄颡鱼性逆转为XX伪雄鱼后，其X染色体（XM）表现出与高度相似的三维结构、核内的染色体排布，伴随着相似的基因表达模式。这说明X和Y染色体的特殊的三维构象对于维持性别的稳定发挥着重要作用。
华中农业大学水产学院博士研究生巩高瑞为论文第一作者，水产学院梅洁教授和中科院水生生物研究所桂建芳院士为该论文通讯作者。华中农业大学水产学院研究生熊阳、廖倩、韩庆庆、任帆，吉林农业大学肖世俊副教授，中科院水生所李熙银副研究员、林桥洪博士、丹成博士、周莉研究员，浙江大学周琦教授，武汉轻工大学皇培培博士等参与了该研究。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac239
发布动物跨物种多组学知识库IAnimal
近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院赵书红教授研究团队研究成果以“IAnimal: A cross-species omics knowledgebase for animals”为题在Nucleic Acids Research发表。
研究发布了国际规模最大的动物跨物种多组学知识库IAnima，对猪、鼠、鸡、狗等21个物种的WGS、RNA-Seq、ChIP-Seq、ATAC-Seq等生物多维组学数据以及文献组数据进行了统一清洗和分析，提供了灵活的数据API接口和便捷的数据挖掘工具，极大的提升了公共组学大数据的复用性，为大数据驱动的动物智能育种奠定了基础。
随着高通量测序技术的快速发展，多维度的生物组学数据呈现超指数型增长，整合利用多维组学数据为解读基因调控机理，推进生物系统的全面解析带来了前所未有机遇。然而，挑战与机遇并存，组学大数据的到来也为基因功能研究带来了巨大挑战。
首先，组学数据种类繁多，数据来源复杂，数据描述标准不一，数据清洗难度大。其次，组学数据量巨大，对数据分析、存储以及检索效率的要求较高。同时，如何将多维组学数据进行高效整合分析也面临极大挑战。
▲IAnimal知识库框架示意图
为解决上述问题，赵书红教授团队基于众包理念开发了数据在线清洗工具，多个用户可以同时在线对数据进行清洗，工具将自动利用这些信息相互纠错。同时基于工程化思想，实现了数据自动下载、分析以及结构化，并针对标准统一的数据设计了灵活的数据调用接口。最后，利用上述数据接口，基于前后端分离技术提供了25个数据查询、挖掘以及可视化的功能模块，用户能够利用这些模块实现多维组学数据查询、整合分析以及跨物种比较。
▲IAnimal调用案例。A、通过文献组学数据可视化结果直观判断IGF2基因和肌肉生长相关；B、通过数据可视化结果判断KIT、MITF等基因和毛色相关；C、与IGF2高度相关的基因构成的调控网络；D、CAPZA1、FN3K、SF3A3和NUP88基因在猪和牛之间的调控模式比较；E、亚洲北方家猪和野猪在指定位点的基因型分布
IAnimal致力于利用跨物种多组学大数据帮助用户挖掘基因功能，在充分利用海量公共数据的同时减少大量重复计算带来的能源消耗。其核心在于灵活的数据API接口，用户对海量组学数据的应用不仅仅局限于知识库提供的在线工具，更可以根据实际需求调用感兴趣的数据进行下游挖掘和分析。
例如，利用文献组相关接口，用户能够快速分析指定基因潜在生物学功能以及指定性状的潜在调控基因；利用相关系数接口，用户可以快速获取指定基因紧密相关的基因并连接成网络。同时，结合同源基因相关接口，即可方便的比较基因在不用物种中的调控模式差异；利用基因分型接口，用户仅需要根据实验目的选择合适群体，即可获取指定位点在这些群体中的基因型矩阵用于进行下游分析。
未来，IAnimal将持续从更多的维度提供更全面的多维组学信息，基于深度学习技术开发智能整合算法以及相应的数据挖掘和可视化工具；以丰富的组学大数据为驱动，产出知识来填补基因组和表型组之间的空白。
华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院博士后付玉华为论文第一作者。赵书红教授、刘小磊教授为论文共同通讯作者。
IAnimal知识库：https://ianimal.pro
IAnimal使用示例：https://ianimal.pro/reception/help
论文链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac936/6775392#
联合发布棉花多组学数据库CottonMD
近日，华中农业大学信息学院生物信息团队与中国农科院棉花研究所、新疆农垦科学院等合作研究成果以“CottonMD: a multi-omics database for cotton biological study”为题在Nucleic Acids Research发表。
研究通过搜集和整合棉花基因组、转录组、变异组、表观遗传、表型组和代谢组等6个组学的数据，构建出目前最为系统和全面的棉花多组学数据库，为棉花遗传育种研究提供了重要的数据资源和分析平台。
棉花是世界上重要的天然纤维作物和战略物资。我国是世界上最重要的棉花生产国和原棉消费国，棉花事关国计民生。随着我国经济快速发展、人口持续增长和城镇化进程稳步推进，居民中高端纺织品消费量渐趋增长，棉纤维产需缺口持续扩大。当前我国棉花新品种的选育主要以传统遗传育种方法为主。该方法虽然取得了大量重要成果，但其挖掘候选重要育种价值基因的精度和效率都较低，极大地限制了新品种的选育进程。
近年来已逐渐发展成熟的多组学技术可以为研究者提供更广泛、更多维度的信息来加速育种进程，为解决传统遗传育种方法中存在的问题、加速实现精准育种提供了新的途径。为发挥多组学技术在育种中的价值，水稻、玉米、高粱等多个主要作物的多组学数据库平台相继建立，但仍缺少一个综合型的棉花多组学数据库平台。
▲CottonMD中基因组学和转录组学模块的使用
为解决这一问题，研究者通过整合25个棉花基因组、76个组织样本的转录组、5个物种的表观遗传学、4180个样本的群体遗传变异数据、20个表型和768个代谢物含量等公共多组学数据，构建了目前最为系统和全面的棉花多组学数据库CottonMD。
该数据库包含大量来自不同组学的信息。用户可以通过输入基因ID或物理位置信息来检索基因相关的多组学信息。以ATAF1基因为例，用户可以利用基因组模块获取4个同源基因的结构和功能信息，并通过转录组模块查询同源基因在不同组织、时期以及胁迫环境下的表达特征。这些功能为用户快速准确地理解基因的功能提供了可能。
在该数据库中，研究者利用全基因组关联分析（GWAS）、表达数量性状位点定位（eQTL）、孟德尔随机化（SMR）和共定位分析等多组学关联分析方法对不同组学的棉花数据进行关联，并将分析结果和工具整合到数据库中以方便用户查询、分析和利用。
与现有的其他数据库相比，CottonMD是首个利用多种关联分析方法挖掘“变异-基因表达-表型”之间关联信息并提供相应数据可视化查询的数据库。
此外，该数据库提供了最丰富的棉花多组学数据以及多种在线多组学分析和种质资源管理工具。在CottonMD中，所有模块均支持25个已发表棉花基因组的基因ID进行搜索、浏览和数据下载，以服务全球范围内的相关研究工作。
华中农业大学信息学院已毕业博士生杨植全（现广州大学博士后），硕士生王静和黄一鸣为论文并列第一作者，信息学院杨庆勇教授和中国农业科学院棉花研究所杨作仁研究员为论文共同通讯作者。新疆农垦科学院余渝研究员、石河子大学聂新辉教授对本项研究提供了指导。
数据库链接：CottonMD:Cotton Multiomics Database (hzau.edu.cn)
论文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac863
构建首个多物种中特异性蛋白介导的染色质环综合数据库ChromLoops
近日，华中农业大学信息学院三维基因组学李国亮教授研究团队研究成果以“ChromLoops: a comprehensive database for specific protein-mediated chromatin loops in diverse organisms”为题在Nucleic Acids Research发表。
▲ChromLoops数据库中包含的物种
研究开发了一个全面、多物种的特异性蛋白介导的染色质环数据库ChromLoops，该数据库整合了来自13个物种的1030套ChIA-PET、HiChIP和PLAC-Seq数据集，并包含了1,491,416,813个高质量染色质环分析结果，是一个全面且综合的染色质环数据库，可以为领域内研究者提供三维基因组远程交互的参考，有助于与细胞功能和疾病相关的3D基因组功能、远程染色质相互作用调控和基因转录调控等多方面的研究。
▲染色质环（Chromatin loops）结构
染色质环（或染色质相互作用）是染色质结构的重要组成元素。染色质环的破坏与癌症、多指畸形等多种疾病有关。目前，ChIA-PET、HiChIP和PLAC-Seq等技术可用于检测特异性蛋白质介导的高分辨率染色质环。近年随着3D基因组研究的快速进展，ChIA-PET、HiChIP和PLAC-Seq的数据集不断积累，亟需对这些数据集进行有效的收集和处理。
▲ChromLoops数据库信息及构建
ChromLoops数据库集成了多种搜索、分析、可视化和下载功能。更重要的是，研究团队针对染色质环anchor基因和区域进行了丰富的功能注释，包括调控元件（增强子、超级增强子和沉默子）、变异（SNP和QTLs）、转录因子、可变剪切、TWAS、染色质开放性、DNA甲基化和基因表达等。
▲癌症高频交互基因在染色体上的分布
研究团队还进行了高频染色质相互作用基因分析，并在ChromLoops数据库中提供了不同物种中的高频染色质交互基因，以及特定类型和所有类型癌症中的高频染色质交互基因。这些分析结果将有助于探究与癌症相关的特异性远距离染色质相互作用特征，为癌症关键基因的调控提供新的理论依据。
▲MYC基因在Hela和K562细胞系中的交互
ChromLoops数据库中所包含的基因组浏览器是基于WashU Epigenome Browser构建。已知MYC是目前研究最广泛的致癌基因之一，与多种不同癌症类型的形成、维持和进展有关。研究者以MYC基因为例介绍和展示浏览器的应用，显示了MYC基因在人类宫颈癌HeLa细胞和白血病K562细胞中的染色质相互作用以及相应区域增强子、沉默子和SNP的信息。可看到，MYC基因在HeLa细胞中与CCAT1存在显著交互，K562细胞中与PVT1存在显著交互，这与已有研究结果相一致。
研究人员表示，ChromLoops是一个全面且综合的染色质环数据库，可以为领域内研究者提供三维基因组远程交互的参考，有助于与细胞功能和疾病相关的3D基因组功能、远程染色质相互作用调控和基因转录调控等多方面的研究。
该项工作由华中农业大学信息学院完成。华中农业大学信息学院李国亮教授为论文通讯作者，华中农业大学信息学院周强伟博士研究生为论文第一作者。成盛、郑姗姗、王振吉、管鹏鹏、朱志贤、黄星宇以及周聪帮助完成了数据库的建立。
数据库链接：https://3dgenomics.hzau.edu.cn/chromloops
论文链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac893/6761734
来源：华中农业大学官方微信（微信号：hzau_news_center）
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