染色体重排可以通过改变三维染色质结构，进而影响基因的表达调控，从而导致物种性状的多样化和适应进化。在脊椎动物中，几乎没有染色体间3D染色质相互作用，包括拓扑关联域（TADs）、subTADs和loop环。此前研究者对麂子（一种具有密集染色体融合的哺乳动物群体）的研究表明，通常哺乳动物之间不同的3D染色质结构是保守的，但染色体重排会导致断点区域周围的更多3D染色质改变，并且可能在麂子的演化和适应中产生一些生物学效应。然而，三维染色质结构在昆虫中的演化模式在很大程度上仍然未知。

研究团队长期以蝴蝶为对象探讨昆虫复杂性状演化的遗传基础（Li et al.,  Nature Communications, 2015, 6: 8212; Lu et al., Giga Science, 2019, 8(11): giz128); Yang et al., Molecular Ecology Resources, 2021, 20(4): 1080–1092; He et al., Zoological Research, 2022, 43(3): 367–379），并在前期的研究中发现青凤蝶属的近缘物种间染色体数有极大变异（从2n=30到40和60），表明该属蝴蝶经历了广泛的染色体重排，这可能对3D染色质结构图谱产生相当大的影响。因此，青凤蝶属的物种是探讨三维染色质结构在昆虫中的演化模式的理想体系。以青凤蝶属近缘物种为例，通过测序获得了3种青凤蝶属蝴蝶和1种凤蝶属蝴蝶的染色体水平基因组，分别为宽带青凤蝶Graphium cloanthus (2n=30)、青凤蝶Graphium sarpedon (2n=40)和银钩青凤蝶Graphium eurypylus (2n=60)和碧凤蝶Papilio bianor (2n=60)。结合大规模的Hi-C实验，研究人员发现，尽管这些蝴蝶物种之间存在广泛的染色体重排，但跨染色体的重排很少会破坏祖先染色体的3D构象。然而，部分染色体内部的重排确实改变了3D构象，导致新的拓扑关联结构(TADs)和子TADs的出现。进一步研究发现，这些3D构象的改变影响了关键进化性状的基因表达调控，如翅膀图案分化和寄主选择等。更为重要的是，研究团队发现蝴蝶Hox基因簇ANT-C和BX-C之间存在大量染色体环状结构，而这些染色体环状结构在果蝇中并不存在。通过CRISPR基因编辑实验，研究人员破坏了这些染色体环，会导致蝴蝶幼虫出现无腿等表型，表明染色体重排可能是果蝇幼虫无腿的原因，从而揭示了3D构象在物种进化中的关键作用。这一研究揭示了昆虫中染色体频繁重排对基因组染色质3D调控影响的分子遗传进化格局和机制，以及揭示了有足幼虫和无足幼虫不同昆虫类比进化的遗传基础。不仅深化了我们对生物体3D染色体构象的认知，也为未来进化遗传学研究开拓了新方向。

该研究结果以"Evolutionary patterns and functional effects of 3D chromatin structures in butterflies with extensive genome rearrangements"为题，于2024年7月26日在Nature Communications在线发表。中国科学院昆明动物研究所李学燕副研究员及西北工业大学王文教授为共同通讯作者，西北工业大学博士生周博童、中国科学院昆明动物研究所胡平博士和刘贵春博士为共同第一作者。本研究得到国家自然科学基金（32070482）、云南省科学技术厅（云南人才项目：202105AC160039）、中国生态环境部生物多样性保护项目以及云南省林业和草原管理局的项目（2022GF258D-11）、新基石科学基金会的支持。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50529-0。 

图1 碧凤蝶，银钩青凤蝶、青凤蝶和宽带青凤蝶的基因组进化

图2 以柑橘凤蝶为例进行的CRISPR-Cas9基因编辑实验证明蝴蝶特异的CTCF位点对蝴蝶的形态演化具有重要的作用