三维基因组染色质构象捕获及其衍生技术

线性染色质经过多重折叠凝缩到真核生物的细胞核中,染色质的三维构象直接决定了真核生物的基因表达,因此染色质可以在局部或远程空间上发生互作调控基因转录。折叠成环状构象的染色质可以借助染色质构象捕获 (Chromosome conformation capture,3C) 技术来研究,基于3C技术扩展的4C/5C/Hi-C从单个位点延伸到全基因组捕捉三维构象,在此基础上,染色质构象核心技术可以与免疫共沉淀、核酸分子杂交、单细胞、基因组测序等技术偶联而产生新的衍生技术和应用,这极大地推动了染色质构象技术在基因时空特异性表达调控上的研究。文中将以3C和Hi-C等三维基因组核心技术为基础,重点介绍染色质构象捕获及其衍生技术的原理和前沿应用。     

染色质三维结构重建及其生物学意义

真核生物的基因组在细胞核中以染色质的形式存在,染色质的功能与它的三维结构紧密相关,例如,基因组的复制、转录、调控、DNA突变、长链非编码RNA的传播和胚胎发育等生物功能都是在细胞核的三维空间中完成的.随着染色体构象捕获及其衍生技术与高通量测序技术的结合,产生了大量的染色质交互作用数据.根据这些染色质交互作用数据,研究人员已经提出很多种方法来重建染色质的三维结构.这些方法有助于在不同分辨率下系统地研究染色质的三维结构,为更好地了解染色质的调控功能提供了结构依据.本文总结了近期染色质三维结构建模方法的进展,并探讨了其在研究染色质生物学功能方面的应用.     

三维基因组学研究进展

三维基因组学是一门研究基因组三维空间结构与功能的新兴学科,主要研究基因组序列在细胞核内的三维空间构象,及其对DNA复制、DNA重组、基因表达调控等生物过程的生物学效应。自染色质构象捕获技术 (3C)出现后,三维基因组学相关研究领域飞速发展。借助于3C及其衍生技术、Hi-C和ChIA-PET等技术,科学家能对各类物种的三维基因组进行更为深入的研究,从而揭示微生物、植物和动物基因组的空间构象、染色质的相互作用模式、转录调控以及不同生物学性状的形成机制;挖掘与生命活动和疾病相关的关键基因和信号通路;推动农业科学、生命科学和医学等领域的快速发展。文中就三维基因组学研究进展作一综述,主要阐述三维基因组学的概念和研究技术的发展及其在农业科学、生命科学和医学等领域的应用,尤其是肿瘤领域所取得的阶段性研究成果。     

染色质构象调控真核基因的表达

真核基因的表达受到各种顺式调控元件、反式作用因子、染色质DNA以及组蛋白表观遗传修饰等多因素、多层次的调控。染色质三维空间结构的变化在调控真核基因表达方面也发挥了至关重要的作用。染色质构象的变化一方面可以使增强子等调控元件与靶基因相互靠近,从而促进基因表达;同时也可能通过形成空间位阻结构阻碍调控元件作用于靶基因,抑制基因表达。虽然染色质结构变化调控真核基因表达的机制仍缺乏较为精确的分子模型,但在组蛋白修饰、核小体定位、染色体领域以及染色质间相互作用等表观遗传学研究中,已经发现有诸多证据支持染色质构象在真核基因表达调控中的重要地位。文章主要综述了染色质结构及其构象的变化等对真核基因表达调控的影响。     

植物三维染色质构型研究进展

染色质在细胞核内的缠绕、折叠及其在细胞核内的空间排布是真核生物染色质构型的主要特征。在经典DNA探针荧光原位杂交显微观察的基础上,基于新一代测序技术的Hi-C及ChIA-PET染色质构型捕获技术已经被广泛应用于动物及植物细胞核染色质构型的研究中,并以新的角度定义了包括:染色体(质)域(chromosome territory)、A/B染色质区室(compartment A/B)、拓扑偶联结构域(topological associated domains,TADs)、染色质环(chromatin loops)等在内的多个更为精细的染色质构型。利用以上两种主流技术,越来越多的植物物种染色质构型特征被鉴定、分析和比较。本文系统分析和总结了近年来以植物细胞为模型的细胞核染色构型领域取得的重要成果,包括各级染色质构型特征的组成、建立机制和主要影响因素等。在此基础上,分析了目前研究植物染色质构型技术的瓶颈和突破性的技术进展,并对后续研究主要关注的问题和研究内容进行了展望,以期为相关领域的研究提供更多的理论参考和依据。     

HBV cccDNA通过破坏宿主染色质三维结构抑制抗病毒基因MAU2的表达

HBV cccDNA的持续存在是慢乙肝难以治愈的重要原因。研究发现HBV cccDNA会在空间距离上靠近宿主染色体的转录活跃区域,提示HBV能够借助宿主基因组的转录开放环境促进自身复制。但具体作用方式尚未阐明。本研究将通过染色质构象捕获技术检测19p13.11增强子与潜在靶基因MAU2的染色质空间构象变化,探究HBV对宿主基因MAU2染色质空间构象的破坏作用,明确HBV对MAU2基因表达的抑制,并同时验证MAU2的抗病毒功能。结果显示,MAU2是19p13.11增强子的下游靶基因,HBV cccDNA能够通过影响MAU2基因与19p13.11增强子之间原有的染色质三维构象抑制MAU2的表达,而MAU2能够反向抑制HBV的复制转录。本研究将为了解HBV的转录调控机制以及寻找更多抗病毒因子提供新的思路。     

染色质结构之美——染色质可及性

染色质可及性(chromatin accessibility)作为一种衡量染色质结合因子与染色质DNA结合能力高低的染色质属性,是评价染色质结构稳态的重要指标之一,在多种细胞核进程中扮演重要角色,包括基因转录调控以及DNA损伤修复等。该属性的异常调控与多种疾病的发生发展密切相关,包括肿瘤以及神经退行性疾病等。对于该属性探究已经成为生命科学与疾病领域的热点。伴随越来越多的新技术应运而生,例如染色质构象捕获技术、高通量测序技术以及两种技术的结合等。随着技术的进步,多种参与调控染色质可及性的因素被发现和总结,包括核小体占位、组蛋白修饰以及非编码RNA等。多项大规模的染色质组学数据绘制了多种疾病的染色质可及性图谱,为揭示疾病的发生发展与染色质可及性之间的关系提供了数据支持。同时,随着单细胞染色质可及性测序技术的发展,实现了对细胞类型染色质层面的划分,弥补了单纯依赖基因表达划分细胞类型的不足。本文将从染色质的组成与可及性、影响染色质可及性的因素、染色质可及性的检测方法,以及染色质可及性与癌症的关系等方面简要阐述染色质可及性的研究进展。     

染色质高级结构——基因组调控的重要形式

真核生物的染色体高度致密,且在细胞核中形成多种构象。近年来发展起来的染色体构象捕获技术及其衍生技术,使得在分子水平上研究染色质结构与功能成为可能。越来越多的证据表明,染色质高级结构的形成并不是随机的,而是参与调控基因表达的一个关键因素。主要介绍基于染色体构象捕获技术发展出的不同技术,并总结目前关于染色质高级结构的特征与功能的知识。     

真核生物基因表达在转录水平上的调节作用

在转录水平上的调节被认为是被细胞基因表达的调控的一个主要机制。在真核细胞中,染色质的结构是和这个调控密切相关的;一般认为,染色质构象的改变是进行转录在所必需的。 一、具有转录活性的染色质的超微结构具有转录活性的染色质(简称活性染色质) 。     

Hi-C技术在三维基因组学和疾病致病机理研究中的应用

三维基因组学在基因组序列、基因结构及其调控元件的基础上对细胞核内的染色质的三维空间结构进行研究。染色体的空间交互作用是基因表达调控的重要因素,随着高通量染色体构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture,Hi-C)技术及其衍生技术的出现和快速发展,借助Hi-C技术获取高通量三维基因组学数据,对基因表达调控等生物过程进行研究,已成为揭示细胞深层机制、阐明疾病致病机理的重要手段。本文在介绍三维基因组的发展历程和研究技术的基础上,重点总结了近年来Hi-C技术在多种疾病研究、特别是致病机理阐释方面的应用和成果,为深入理解三维基因组学在构建全局基因调控图谱、挖掘疾病致病机理方面的应用提供参考和借鉴。     

Exploiting native forces to capture chromosome conformation in mammalian cell nuclei

Mammalian interphase chromosomes fold into a multitude of loops to fit the confines of cell nuclei, and looping is tightly linked to regulated function. Chromosome conformation capture (3C) technology has significantly advanced our understanding of this structure‐to‐function relationship. However, all 3C‐based methods rely on chemical cross‐linking to stabilize spatial interactions. This step remains a “black box” as regards the biases it may introduce, and some discrepancies between microscopy and 3C studies have now been reported. To address these concerns, we developed “i3C”, a novel approach for capturing spatial interactions without a need for cross‐linking. We apply i3C to intact nuclei of living cells and exploit native forces that stabilize chromatin folding. Using different cell types and loci, computational modeling, and a methylation‐based orthogonal validation method, “TALE‐iD”, we show that native interactions resemble cross‐linked ones, but display improved signal‐to‐noise ratios and are more focal on regulatory elements and CTCF sites, while strictly abiding to topologically associating domain restrictions.     

染色体构象俘获技术及其研究进展

真核生物中远距离的调控元件往往通过相互作用形成复杂的染色体相互作用网络,对基因的表达进行三维调节,染色体构象俘获是研究染色体相互作用的有力工具。简要综述了染色体构象俘获技术的基本原理及其研究进展,并对相关技术存在的问题进行了分析,对发展趋势进行了展望。     

利用环形染色体构象捕获技术对Bci11b基因座位在细胞核内空间组织的研究

环形染色体构象捕获（4c）技术实现了在全基因组范围内捕获与4c靶位点发生相互作用的基因座位,因而通过4C相关技术可以进一步研究靶基因座位在细胞核内的空间组织形式。该文以ABclllb基因座位作为4C分析的靶位点,通过优化4C分析的反向巢式PCR扩增条件,实现4C分析PCR的高效扩增：并通过有限克隆筛选与普通测序分析相结合的方法,在全基因组范围内捕获到一些与BcHlb基因座位发生潜在相互作用的基因座位。这些基因座位与靶位点间的相互作用既有发生在相同染色体内的,也有发生在不同染色体之间的。这些基因座位间的相互作用表明了Bclllb基因座位在细胞核内复杂的空间组织形式。     

Techniques for and challenges in reconstructing 3D genome structures from 2D chromosome conformation capture data

Chromosome conformation capture technologies that provide frequency information for contacts between genomic regions have been crucial for increasing our understanding of genome folding and regulation. However, such data do not provide direct evidence of the spatial 3D organization of chromatin. In this opinion article, we discuss the development and application of computational methods to reconstruct chromatin 3D structures from experimental 2D contact data, highlighting how such modeling provides biological insights and can suggest mechanisms anchored to experimental data. By applying different reconstruction methods to the same contact data, we illustrate some state-of-the-art of these techniques and discuss our gene resolution approach based on Brownian dynamics and Monte Carlo sampling.