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。     

染色质可及性分析的研究进展

在细胞核内,染色质可及性模式会随着外部刺激和发育线索的改变而发生动态变化。染色质可及性重构对于基因表达调控至关重要,在建立和维持细胞特性等方面发挥着重要作用。因此开展染色质可及性的研究对染色质功能上的三维解析具有十分重要的意义。近几年,随着高通量测序技术的进步以及测序成本的降低,基于高通量测序技术的染色质可及性分析方法得到了迅速发展。目前观察和分析全基因组染色质开放与否的常见技术主要有脱氧核糖核酸酶I超敏位点测序（DNase-seq）、微球菌核酸酶测序（MNase-seq）、甲醛辅助分离调控元件测序（FAIRE-seq）以及转座酶可及性测序（ATAC-seq）。本文比较了这4种染色质可及性分析技术的优缺点,详细介绍了它们的原理及主要实验流程,并简要讨论了它们的发展及相关技术的应用,期望通过这些互补的方法为染色质分析领域的未来发展提供一些借鉴和思路。     

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。     

未成熟卵母细胞的形态与成熟能力、染色质构型和H3K27三甲基化水平的相关性研究

该文研究未成熟卵母细胞的形态指标与成熟能力、染色质构型和表观遗传模式的相关性,为家畜繁育和人医辅助生殖选卵标准提供参考。以经不同激素处理(N组、P组、H组)的小鼠未成熟卵母细胞作为实验材料,利用滴中孔技术进行体外跟踪培养检测不同形态未成熟卵母细胞的成熟能力,Hoechst33342标记DNA AT双键研究染色质构型,H3K27三甲基化抗体检测全基因组H3K27三甲基化水平差异。结果表明,H组小鼠卵母细胞中,细胞质直径较小的更适合在滴中孔系统内培养成熟[(71.63±1.02)μm,A形态vs(68.33±0.97)μm,B形态,P0.05],核仁直径和透明带厚度与卵母细胞成熟能力无关。A形态卵母细胞NSN型(non-surround nucleolus)比例高于SN型(surround nucleolus)(78.57%vs 21.43%),B形态卵母细胞SN构型比例高于NSN构型(65.12%vs34.88%)。N、P、H三组小鼠卵母细胞H3K27三甲基化水平差异不显著,但N组小鼠中,A形态未成熟卵母细胞H3K27三甲基化水平显著低于B形态组(P0.05)。P组和H组小鼠中,A形态卵母细胞与B形态卵母细胞H3K27三甲基化水平差异不显著。如果不考虑激素处理分组,则A形态卵母细胞H3K27三甲基化水平显著低于B形态卵母细胞H3K27三甲基化水平(P0.05)。综上可知,卵母细胞形态可以反映其成熟能力、染色质构型和H3K27三甲基化水平,激素处理影响H3K27三甲基化水平。     

蚕豆细胞核仁和核质中剪接因子SC35的定位研究

本文以蚕豆(Vicia faba L.)根端分生组织细胞为材料,以抗SC35抗体为探针,在电镜下对SC35在高等植物细胞中的存在与否和分布特点进行了研究,发现经抗SC35抗体标记后,标明SC35位置的胶体金颗粒主要分布于核仁的致密纤维组分(DFC)、核质的染色质间颗粒(IGs)和染色质周边纤维处(PFs),而核仁的纤维中心(FC)、核仁液泡和集缩染色质团块中央部位的金颗粒很少。DFC, IGs和PFs处的金颗粒平均密度分别为65.89个/μm~2和36.28个/μm~2,远远高于集缩染色质团块中央部位以及FC和核仁液泡处的金颗粒平均密度(分别为5.90个/μm~2和6.26个/μm~2)。说明蚕豆细胞核仁的DFC,核质的IGs和PFs处富含剪接因子SC35。本文研究结果表明,SC35或SC35类蛋白在蚕豆细胞核质中的分布与其在哺乳动物细胞核质中的分布规律相似。同时本文首次报道了SC35或SC35类蛋白存在于核仁中。     

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.     

染色质转座酶可及性测序研究进展

染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq)诞生于2013年,具有比脱氧核糖核酸酶I超敏感位点测序(deoxyribonuclease I hypersensitive site sequencing, DNase-seq)和微球菌核酸酶敏感位点测序(micrococcal nuclease sequencing, MNase-seq)更快速、灵敏、简便的优点,是目前分析全基因组范围染色质开放区域的热点技术。通过该技术能获得染色质开放区域的相关信息,从而映射出转录因子等调控蛋白的结合区域和核小体定位等信息,对于研究表观遗传分子机制具有重要意义。本文比较了5种获取染色质开放区域技术的优缺点,重点介绍了ATAC-seq的原理和主要流程,描述了利用ATAC-seq技术研究染色质开放区域的发展概况以及ATAC-seq的相关应用,期望对真核生物全基因组水平的染色质开放区域研究、顺式调控元件鉴定以及遗传调控网络的解析等提供借鉴。     

洋葱根端分生组织细胞核中RNA多聚酶Ⅱ转录位置的研究

采用溴尿嘧啶核苷三磷酸(BrUTP)标记技术,对洋葱(Allium cepa L.)根端分生组织细胞核中RP Ⅱ转录位置进行了研究。经BrUTP和抗BrdU抗体标记后,在电镜下观察到染色质区域周边部位存在大量的金颗粒,该区域金颗粒数目占细胞核内非核仁区域金颗粒总数的92.70%,金颗粒密度为75.42个/μm~2,明显高于染色质问区域和染色质区域中央部位的金颗粒数目的百分比(分别为1.93%和5.37%)和金颗粒密度(分别为2.00个/μm~2和5.89个/μm~2),说明在染色质区域周边部位进行着旺盛的RPⅡ转录位置。经α-鹅膏蕈碱(10μg/L,2h)处理后,非核仁区域金颗粒的减少极其显著,其金颗粒密度从44.60个/μm~2降至2.67个/μm~2,进一步确认该区域中的金颗粒代表RPⅡ转录产物。讨论了完整植物细胞核内RPⅡ转录位置的分布。     

下一代测序技术在表观遗传学研究中的重要应用及进展

下一代测序技术(Next generation sequencing,NGS)的出现,极大地促进了表观遗传学的研究。将NGS技术引入表观遗传学,便形成了以NGS为基础的各种表观遗传学测序及研究方法,如:全基因组亚硫酸氢盐测序法(Whole genome bisulfite sequencing,WGBS)、简化代表性亚硫酸氢盐测序法(Reduced representation bisulfite sequencing,RRBS)、甲基化DNA免疫共沉淀测序(Methylated DNA immunoprecipitationsequencing,MeDIP-seq)、染色质免疫共沉淀测序(Chromatin immunoprecipitation-sequencing,ChIP-seq)、Tet辅助重亚硫酸盐测序法(Tet-assisted bisulfite sequencing,TAB-seq)、各种染色体构象捕获测序(Chromosome conformation capture sequencing,3C-seq)技术、DnaseⅠ-seq/MNase-seq/FAIRE-seq以及RNA测序(RNA sequencing,RNA-seq)。这些方法的应用和普及改变了人们对多种表观遗传现象的传统认识,使研究人员能够更加全面地深入了解各种表观遗传标志在机体内的广泛分布,以及如何在外界因素的影响下发生相应的动态变化。文章概述了当今主要商业NGS平台的原理和特点,系统介绍了以NGS方法为基础衍生出来的各种表观遗传学测序及研究方法,并在此基础上对近年来应用NGS技术在表观遗传学研究领域中取得的最新研究成果进行了综述。     

综述: 冷冻电镜技术在表观遗传学研究中的应用

染色质装配、修饰和重塑复合体,以及它们和核小体、染色质等一起形成的超大分子复合体的精细结构解析,对于在原子水平揭示表观遗传信息建立、维持和调控的分子机制至关重要．近年来,迅速发展的冷冻电镜三维重构技术对于解析这些多亚基、大分子质量、柔性超大分子复合体的结构带来了很好的机遇．本文综述了冷冻电镜三维重构技术在表观遗传学相关的结构研究领域中的一些应用和进展．     

Chromatin Architecture in the Fly: Living without CTCF/Cohesin Loop Extrusion?

The organization of the genome into topologically associated domains (TADs) appears to be a fundamental process occurring across a wide range of eukaryote organisms, and it likely plays an important role in providing an architectural foundation for gene regulation. Initial studies emphasized the remarkable parallels between TAD organization in organisms as diverse as Drosophila and mammals. However, whereas CCCTC‐binding factor (CTCF)/cohesin loop extrusion is emerging as a key mechanism for the formation of mammalian topological domains, the genome organization in Drosophila appears to depend primarily on the partitioning of chromatin state domains. Recent work suggesting a fundamental conserved role of chromatin state in building domain architecture is discussed and insights into genome organization from recent studies in Drosophila are considered.     

Chromodomain蛋白在表观遗传调控中的功能

克罗莫结构域 (chromatin organization modifier domain, chromodomain)是与染色质结构相关的进化上保守的蛋白质模体。Chromodomain中芳香族氨基酸残基组成保守的疏水“box”结构与“组蛋白密码”中的二甲基或三甲基修饰的H3K9和H3K27结合, 同时chromodomain也可识别非组蛋白和特定的核酸结构。不同类型的chromodomain蛋白在基因转录调节、基因组重排修复和染色质重塑等过程中发挥重要调控作用, 从多个层次参与染色质表观遗传调节过程。本文综述chromodomain的分类和结构特征, 探讨进化中不同的chromodomain蛋白在细胞中的功能多样性, 为进一步研究chromodomain蛋白在细胞中的作用机制提供参考。     

欧洲水青冈(Fagus sylvatical L.)构筑型与形态多样性研究

通过对植物构件和构筑型的分析,可以了解植物的整体结构与系统演化关系。高等植物构筑型的研究以树木最为深入,植物学家对全球的树木进行了构筑模式的分类,并确定了２３个基本的构筑类型。植物的构筑型和其形态的多样性是密不可分的。构筑奕型确定了植物所属的整体形态类型,而对每种植物具体的形态多样性分析可以深入了解每种构筑型的数量特征及其形成过程。在概述了树木树筑型研究的基础上,系统说明了欧洲水青冈构筑才形态多样性分析的步骤和步骤和分析的意义。水青冈属（Fagus)为Ｔroll型构筑模式,处于不同生态条件下的同一种的不同种群之间,在形态、解剖、生理和遗传多样性方面都存在着差异。树木的形态多样性虽然主要受遗传因素的控制,但生态条件对其形态和遗传多样性也有非常显著的影响。在对树木进行构筑型分析时,道德要根据构筑要素（主要是形态与生长特性）确定它所属的构筑类型,其次是分析它的形态特征与环境条件的关系,进行进一步分析其遗传多样性。     

Chromatin architectural alterations due to null mutation of a major CG methylase in rice

Associations between 3D chromatin architectures and epigenetic modifications have been characterized in animals.However,any impact of DNA methylation on chromatin architecture in plants is understudied,which is confined to Arabidopsis thaliana.Because plant species differ in genome size,composition,and overall chromatin packing,it is unclear to what extent findings from A.thaliana hold in other species.Moreover,the incomplete chromatin architectural profiles and the low-resolution high-throughpu...     

高等植物中SWI/SNF染色质重塑研究的新进展

染色质重塑是真核生物表观遗传调控的重要方式．通过对染色质物理结构的调节,染色质重塑在高等动植物干细胞的自我更新及分化、器官和个体发育以及肿瘤发生等多种生物学过程中发挥重要作用．近年来,高等动植物染色质重塑方面的研究已经成为表观遗传学研究领域的热点．本综述总结近年来有关高等动植物染色质重塑的重要研究报道,介绍了染色质重塑的结构机制、分析比较了高等动植物染色质重塑复合体的组成及其生物学功能的多样性,并着重综述了高等植物SWI/SNF染色质重塑复合体各组分在调控植物发育与逆境生长等方面的功能,以期为今后植物中染色质重塑的研究提供启示．     

Chromatin: constructing the big picture

Chromatin is the ensemble of genomic DNA and a large number of proteins. Various genome-wide mapping techniques have begun to reveal that, despite the tremendous complexity, chromatin organization is governed by simple principles. This review discusses the principles that drive the spatial architecture of chromatin, as well as genome-wide-binding patterns of chromatin proteins.     

Exposure to the seminal plasma of different portions of the boar ejaculate modulates the survival of spermatozoa cryopreserved in MiniFlatPacks

Spermatozoa present in the first collectable 10 mL of the sperm-rich fraction (SRF) of the boar ejaculate (portion 1, P1) have higher documented viability during and after cryopreservation than spermatozoa in the rest of the ejaculate (portion 2, P2), probably in relation to different features of the surrounding seminal plasma (SP). In the present study, we investigated whether the SP from these ejaculate portions (SP1 or SP2) was able to differently influence sperm viability and chromatin structure of the P1- or P2-contained spermatozoa from individual boars primarily or secondarily exposed (e.g., following cleansing and re-exposure) to pooled SP1 or SP2 from the same males during 60 min. Spermatozoa were subjected to controlled cooling and thawing in MiniFlatPacks (MFPs) and examined for motility (using computer-assisted sperm analysis, CASA) at selected stages of processing. Moreover, sperm plasma membrane intactness (investigated using SYBR-14/propidium iodide, PI), plasma membrane architecture (examined using Annexin-V-PI staining), and chromatin (deoxyribonucleic acid, DNA) integrity (tested using sperm chromatin structure assay, SCSA) were assessed post-thaw (PT). A higher proportion of P1 spermatozoa than of P2 spermatozoa incubated in their native SP portion were confirmed to be motile from collection to PT. When P1 spermatozoa were cleansed from their original SP and re-exposed to pooled P2-SP, sperm kinematics deteriorated from extension to PT. By contrast, cleansed P2 spermatozoa increased motility to P1 levels, especially PT when re-exposed to pooled P1-SP. Such differential effects on motility were not clearly accompanied by biologically related modifications of sperm membrane or chromatin structure. This influence of the SP on sperm kinematics was not sire-dependent and it was presumably related to different concentrations or either SP proteins or bicarbonate in the different ejaculate portions.