染色质高级结构参与了许多细胞核内活动的远程调控。通常，真核生物基因组折叠成三种不同层次的结构，包括A/B隔室、三维拓扑结构域（Topologically Associating Domains，TAD）以及染色质环。近年来，随着科学家对基因组三维结构的认识不断增多，发现一些转座元件（Transposable Elements，TEs）在建立和维持染色质高级结构中起着重要作用。例如，I类逆转录转座子L1和B1/Alu与哺乳动物基因组中的A/B室分离相关（1）；HERV-Hs逆转录转座子参与人类多能干细胞（hPSCs）转录时TAD边界划分（2）。此外，转座子也在拟南芥中辅助形成多条染色体互作的Knot结构（3）。但目前尚未报道TEs有直接或间接的参与形成配子基因组高级结构。 

　　2023年2月22日，中国科学院昆明动物所侯春晖课题组、南方科技大学生命科学学院生物系陈永龙课题组、华中农业大学李立课题组联合深圳湾实验室黄恺课题组合作在Cell Reports杂志上发表了文章Evolutionarily distinct and sperm-specific supersized chromatin loops are marked by Helitron transposons in Xenopus tropicalis，发现了在热带爪蛙成熟精子中存在超大染色质环（Supersized Loops，SSLs），并发现这些SSLs的锚定点存在II类转座子Helitron的富集。 

　　研究者比较发现脊椎动物精子的染色质三维图谱具有高度的物种特异性。通过添加内参绘制热带爪蛙成熟精子的染色质三维图谱后，研究人员发现在热带爪蛙成熟精子中存在144个SSLs，这些SSLs的中位值在5.11Mb，是热带爪蛙大脑细胞染色质环中位值的28倍。研究者进一步揭示这些SSLs锚定点存在于染色质非开放区，不富集染色质结构蛋白CTCF，转录复合体RNAPII，PRC1/2复合物以及多种组蛋白修饰（H3K4me3，H3K27ac，H3K27me3，H3K9me2）。研究者通过对基因组不同注释区域进行分析发现，几乎所有的SSLs锚定点都与II类DNA转座子Helitrons重叠。进一步通过分子动力学模拟表明SSL簇可能是通过某些分子介导的相分离/凝结过程形成的。通过与课题组前期发表的热带爪蛙胚胎发育时期染色质三维图谱相对比（4），发现大部分SSLs锚定点对应于胚胎时期或组织细胞中TAD结构的边界。  

　　该研究首次发现在热带爪蛙成熟精子中存在由Helitron在锚定点富集的超大染色质环，很可能是一种新的特殊基因组高级三维结构类型，该研究也提出了诸多值得进一步探讨的问题。例如：SSLs在热带爪蟾精子生成过程中是何时出现，如何建立，并具有何种功能呢？如果Helitron对SSLs的建立具有重要作用，为什么仅有一小部分Helitron在SSLs锚定点富集？Helitron在热带爪蟾精子生成过程中又是否具有重要的生物系功能呢？这些问题的解决将扩展我们对基因组三维空间组织机制的复杂性、Helitron转座子的功能和控制，以及Helitron在动物发育过程中生物学功能及机制的深入理解。  

　　中国科学院昆明动物研究所侯春晖研究员，华中农业大学李立教授、南方科技大学生命科学学院生物系陈永龙副教授和深圳湾实验室黄恺研究员为为共同通讯作者。高级研究学者石照应（南科大）、博士生许晋升（华中农业大学，中国科学院昆明动物研究所访问学生）、研究助理教授牛龙见（南科大）、博士生沈威（华中农业大学）和闫舒婷（深圳湾实验室）为论文共同第一作者。澳门大学Edwin Cheung教授参与工作。  

　　该项目得到国家自然科学基金委，深圳市科创委，南方科技大学基金，澳门大学基金，广东省重点领域研发计划支持。  

　　参考文献： 

　　（1）Lu, J.Y., Chang, L., Li, T., Wang, T., Yin, Y., Zhan, G., Han, X., Zhang, K., Tao, Y., Percharde, M., et al. (2021). Homotypic clustering of L1 and B1/Alu repeats compartmentalizes the 3D genome. Cell Res 31, 613-630. 

　　（2）Zhang, Y., Li, T., Preissl, S., Amaral, M.L., Grinstein, J.D., Farah, E.N., Destici, E., Qiu, Y., Hu, R., Lee, A.Y., et al. (2019). Transcriptionally active HERV-H retrotransposons demarcate topologically associating domains in human pluripotent stem cells. Nat Genet 51, 1380-1388. 

　　（3）Grob, S., Schmid, M.W., and Grossniklaus, U. (2014). Hi-C analysis in Arabidopsis identifies the KNOT, a structure with similarities to the flamenco locus of Drosophila. Mol Cell 55, 678-693. 

　　（4）Niu, L., Shen, W., Shi, Z., Tan, Y., He, N., Wan, J., Sun, J., Zhang, Y., Huang, Y., Wang, W., et al. (2021). Three-dimensional folding dynamics of the Xenopus tropicalis genome. Nat Genet 53, 1075-1087.