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.     

表观遗传调控：基于染色质环境的DNA双链断裂修复

DNA双链断裂（DNA double-strand breaks, DSBs）是威胁基因组完整性和细胞存活的最有害的DNA损伤类型。同源重组（homologous recombination,HR）和非同源末端连接（non-homologous end joining,NHEJ）是修复DNA双链断裂的两种主要途径。DSB修复涉及到损伤部位修复蛋白的募集和染色质结构的改变。在DNA双链断裂诱导下,染色质结构的动态变化在时间和空间上受到严格调控,进而对DNA双链断裂修复过程进行精细调节。特定的染色质修饰形成利于修复的染色质状态,有助于DNA双链断裂修复机器的招募、修复途径的选择和DNA损伤检查点的活化;其中修复途径的选择对于基因组稳定性至关重要。修复不当或失败可导致基因组不稳定性,甚至促进肿瘤的发生。本文综述了染色质结构和染色质修饰的动态变化在DSB修复中的重要作用。此外,文章还总结了在癌症治疗中靶向关键染色质调控因子在基因组稳定性维持、肿瘤发生发展以及潜在临床应用价值等方面的进展。     

染色质可及性与植物基因表达调控

真核生物基因组上的核小体呈现不均匀分布, 转录活跃区域的染色质结构相对松散且易被调节蛋白结合, 这些区域的可接近程度称为染色质可及性。随着测序技术的发展, DNase-seq、ATAC-seq、MNase-seq和NOMe-seq等组学技术的应用, 全基因组范围内染色质可及性检测变得简便且高效。该文主要介绍了真核生物染色质可及性的4种基本检测方法的技术原理, 总结了核小体定位、组蛋白修饰以及转录因子结合与染色质可及性的关系, 并综述了染色质可及性参与植物生长发育和环境响应研究进展, 以期为植物领域全基因组水平染色质可及性研究、顺式调控元件挖掘及发育和环境响应过程中基因表达调控网络的解析提供借鉴。     

一种基于GFP分子荧光显示的检测大尺度染色质松弛技术的建立

在真核生物中,基因组DNA是被高度包装成染色质的形式而存在的,这就对基因在复制、转录、修复、重组时的功能分子有效地接近DNA形成了天然屏障,执行上述生化反应需要松散染色质的结构,染色质松散是染色质动态变化即染色质重塑(chromatin remodeling)的一种形式.越来越多的证据表明,染色质重塑在DNA损伤反应中起着非常重要的作用,染色质重塑过程可以把损伤应答和修复蛋白募集到损伤位点,从而完成修复.为了进一步探讨染色质重塑和DNA损伤修复的偶联机制,采用了基于Lac抑制子和Lac操纵子的大规模染色质重塑报告系统,并借助GFP分子荧光显示方法,建立了可以直观地观察染色质松散的技术.在利用该技术证实了DNA损伤应答蛋白TIP60能够强烈诱导染色质松散的基础上,发现P53诱导基因3蛋白(PIG3)在细胞辐射DNA损伤反应中也能够一定程度地诱导染色质松弛.这些结果证明此技术是可靠的,也为阐述DNA损伤修复与染色质重塑关联机制提供了新的信息.     

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。     

家蚕（Bombyx mori）5龄幼虫丝腺染色质在核基质上的组构

家蚕(Bombyx mori)5龄幼虫丝腺的染色质高度多倍化,整个基因组达10~5至10~6个拷贝。依次经低盐和高盐抽提5龄幼虫中丝腺、后丝腺和蚕体的细胞核,得到其核晕 (nuclearhalo),限制性内切酶消化后还有一部分DNA片段与核基质紧密结合在一起,说明染色质的组织与核基质有关。通过测定核基质上残留的DNA片段的平均长度及其在全基因组DNA中所占的百分比计算出,核晕上DNAloop的平均大小在中丝腺、后丝腺以及蚕体细胞中均为67kb左右。丝腺中高度多倍化的染色质与二倍体蚕体组织之间并不存在差异,它们同样被错定在核基质上而分隔成长约67kb的染色质loop,从而保证整个基因组的有序排列。以丝素基因为探针进行DNA印迹杂交发现,在5龄后丝腺中丝素基因特异性地和核基质紧密结合,说明核基质与丝素基因的组织特异性表达有关。     

CHD7对发育和疾病的表观遗传调控研究进展

染色质重塑是指染色质通过其结构的动态变化影响基因组DNA的可接近性,进而影响DNA复制、转录、修复和重组的过程,属于表观遗传调控。染色质域解旋酶DNA结合蛋白7(CHD7)是一种ATP依赖的染色质重塑酶,能够调控发育过程中多种重要转录因子,广泛参与众多生理过程。本文对CHD7在发育和疾病当中的表观遗传调控作用进行简要概述。     

组蛋白修饰在染色质复制过程中的作用

真核生物中的DNA复制,不但要保证DNA编码的基因组信息高保真复制,也要保证染色质结构所蕴含的表观遗传组稳定传递,这个过程对于维持基因组的完整性和稳定性至关重要。时至今日,人们对DNA复制的机制已经有了深入的认识,但是对染色质复制以及表观遗传信息传递的了解才刚刚开始。组蛋白是染色质结构中最主要的蛋白组成部分,其上面丰富的转录后修饰是表观遗传调控的核心方式之一。从最近几年组蛋白的修饰研究进展入手,主要综述在DNA复制过程中组蛋白修饰如何参与染色质复制的调控。     

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。     

HOXD基因簇内一系列CTCF位点反转揭示绝缘子功能

CTCF (CCCTC-binding factor)是一种重要的染色质架构蛋白,其与绝缘子的方向性结合在哺乳动物基因组三维空间结构形成和维持中起着至关重要的作用。正向–反向相对方向的CTCF结合位点(简称CTCF位点)可以在染色质黏连蛋白(cohesin)的协助下,形成染色质环,介导远距离DNA元件之间的相互作用;而在染色质拓扑结构域边界区域的CTCF位点呈现反向–正向相背方向分布,发挥绝缘子的功能。为进一步研究CTCF介导染色质环的形成与其绝缘功能之间的关系,本研究采用DNA片段编辑方法通过设计成对sgRNA(dual sgRNA)构建了一系列HOXD基因簇区域CTCF位点反转的单细胞克隆。定量高分辨率染色质构象捕获实验显示边界区域CTCF位点反转会改变原有的染色质环方向,通过环挤出模型(loopextrusion)形成新的染色质环,引起染色质拓扑结构域边界漂移至新形成的一对反向–正向CTCF位点处。此外,串联排列的CTCF位点可以通过阻碍反方向渗透的黏连蛋白继续滑动发挥绝缘子的功能。RNA-seq实验发现CTCF位点反转引起的局部基因组空间结构变化会进一步影响基因的表达。上述研究...     

人Pescadillo诱导大规模染色质伸展

人Pescadillo基因编码的蛋白分子中含有一个BRCT结构域, Pescadillo在DNA合成、细胞增殖和转化中发挥重要作用. 考虑到BRCT结构域能够诱导大规模染色质伸展, 对Pescadillo在大规模染色质伸展中的作用进行了研究. 首先从人乳腺MCF10A细胞中得到了Pescadillo编码区的cDNA, 其序列在第580~582位氨基酸发生缺失, 将该cDNA 片段与lac阻遏物在AO3-1细胞中融合表达, 通过lac阻遏物结合细胞基因组中含有lac操纵基因的区域将Pescadillo靶向至染色质周围, 发现Pescadillo能够诱导大规模染色质伸展, 并将诱导大规模染色质伸展活性的结构域定位至其BRCT结构域, 这为深入理解Pescadillo的重要作用提供了新的线索.     

自身基因组原位杂交揭示植物基因组重复DNA沿染色体的分布

重复DNA沿染色体的分布是认识植物基因组的组织和进化的要素之一。本研究采用一种改良的基因组原位杂交程序,对基因组大小和重复DNA数量不同的6种植物进行了自身基因组原位杂交(self-genomic in situ hybridization,self-GISH)。在所有供试物种的染色体都观察到荧光标记探针DNA的不均匀分布。杂交信号图型在物种间有明显的差异,并与基因组的大小相关。小基因组拟南芥的染色体几乎只有近着丝粒区和核仁组织区被标记。基因组相对较小的水稻、高粱、甘蓝的杂交信号分散分布在染色体的全长,但在近着丝粒区或近端区以及某些异染色质臂的分布明显占优势。大基因组的玉米和大麦的所有染色体都被密集地标记,并在染色体全长显示出强标记区与弱标记或不标记区的交替排列。此外,甘蓝染色体的所有近着丝粒区和核仁组织区、大麦染色体的所有近着丝粒区和某些臂中间区还显示了增强的信号带。大麦增强的信号带带型与其N-带带型一致。水稻自身基因组原位杂交图型与水稻Cot-1DNA在水稻染色体上的荧光原位杂交图型基本一致。研究结果表明,自身基因组原位杂交信号实际上反映了基因组重复DNA序列对染色体的杂交,因而自身基因组原位杂交技术是显示植物基因组中重复DNA聚集区在染色体上的分布以及与重复DNA相关联的染色质分化的有效方法。     

ATP依赖的染色质改构复合物及其作用机制

染色质高度紧密的折叠阻止了转录因子和辅因子与DNA的结合, 因而通过染色质重塑以解除这样的抑制环境, 对于转录活动的正常进行是至关重要的。目前认为, 染色质重塑至少是通过两种机制来完成的, 一种是通过ATP依赖的染色质改构复合物, 另一种是通过对组蛋白尾部进行共价修饰的组蛋白修饰酶复合物。文章结合近年来的研究进展, 对前者进行染色质重塑的机制及两者在基因转录调控过程中如何相互协作等进行了论述。     

人Pescadillo能够诱导大规模染色质伸展

人Pescadillo基因编码的蛋白分子中含有一个BRCT结构域,Pescadillo在DNA合成、细胞增殖和转化中发挥重要作用.考虑到BRCT结构域能够诱导大规模染色质伸展,对Pescadillo在大规模染色质伸展中的作用进行了研究.首先从人乳腺MCF10A细胞中得到了Pescadillo编码区的cDNA,其序列在第580～582位氨基酸发生缺失,将该cDNA片段与lac阻遏物在AO3-1细胞中融合表达,通过lac阻遏物结合细胞基因组中含有lac操纵基因的区域将Pescadillo靶向至染色质周围,发现Pescadillo能够诱导大规模染色质伸展,并将诱导大规模染色质伸展活性的结构域定位至其BRCT结构域,这为深入理解Pescadillo的重要作用提供了新的线索.     

ChIA-PET技术

配对末端标签测序分析染色质相互作用(chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing,ChIA-PET)技术是一项在全基因组范围内分析远程染色质相互作用的新技术。它把染色质免疫沉淀(chromatin immunoprecipitation,ChIP)技术、染色质邻近式连接(chromatin proximity ligation)技术、配对末端标签(paired-endtag,PET)技术和新一代测序(next-generation sequencing)技术融为一体,在基因组三维折叠和套环状态下分析基因表达和调控。ChIA-PET技术已用于确定人乳腺腺癌细胞内雌激素受体a的结合位点之间的相互作用。随着更多蛋白质因子的发现及其抗体的应用,该技术可实时捕获全基因组范围内参与复制、转录过程的蛋白质因子结合位点以及结合位点间的相互作用,这对于阐明基因调控和疾病发生机制具有重大意义。     

真核生物染色质隔离子

真核生物的基因组较原核生物复杂 ,其基因包含在染色质中 ,基因的表达调控十分精细 .真核生物的染色体由一系列结构与功能独立的单元组成 ,各个单元的基因表达情况各不相同 .各单元间的结构称为边界元件 ,它使一侧的基因免受另一侧调控元件的影响 .这就是限定染色质转录功能区的染色质隔离子 (ｃｈｒｏｍａｔｉｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ) .染色质隔离子是顺式作用的ＤＮＡ序列 ,它参与更高层次上的基因表达调控 .1　染色质隔离子的发现及生物学功能　　早在 1985年 ,人们就在果蝇的染色体 87Ａ7的两侧发现了ｓｃｓ和ｓｃｓ′ .Ｋｅｌｌｕｍ等作…     

核小体及染色质修饰的基因组分布模式和染色质状态

染色质是真核DNA的存在方式,可以通过影响DNA的可及性调节基因转录,其基本单元为核小体,系由约147 bp的DNA缠绕在组蛋白八联体上形成的结构,核小体之间以连接DNA相连．核小体组蛋白上能发生甲基化和乙酰化等化学修饰．核小体位置、DNA的甲基化和组蛋白的修饰等对染色质状态(常染色质或异染色质)及基因组之间的长程相互作用有重要影响．近年,基于高通量测序技术,核小体位置和染色质修饰在多种细胞中的基因组分布已被测定．结果显示,这些标记的分布模式具有位点特异、动态变化、相互偶联和高度复杂的特征．本文详细回顾并评述了核小体位置和染色质修饰的分布模式、对应生物学功能、修饰之间的关联、实验测定技术、染色质状态的计算分析等内容．该工作对于深入认识和理解染色质的表观遗传调节机制有重要意义．     

30 nm染色质的体外组装和电镜分析

真核生物的基因组以染色质的形式存在,染色质在真核生物的基因表达调控及胚胎发育过程中起重要作用,为表观遗传提供一个重要的信息整合平台．染色质的高级结构,特别是 30 nm染色质的动态变化在基因转录沉默和激活过程中起着重要的调控功能．但是目前对30 nm 染色质纤维的组装及其精细结构的认识还十分有限．本文通过体外表达系统,表达未经修饰的组蛋白,并利用克隆构建的601DNA均一重复序列,通过逐步降低盐离子浓度并加入组蛋白H1或镁离子的方法,体外重组均一的30 nm染色质纤维．并利用镀金属、负染色制样和冷冻电镜制样等手段通过透射式电子显微镜(TEM)对30 nm纤维结构的形成原因、组蛋白H1的作用和核小体重复单位(nucleosome repeat lengths,NRLs)长度对30 nm染色质纤维的影响进行研究．研究结果显示在组蛋白H1或二价镁离子存在的情况下,均可形成30 nm染色质纤维．其形成的染色质拓扑结构有所不同．统计分析表明,不同长度核小体重复单位(NRLs)形成的染色质纤维直径有所不同(P < 0.05)．同时,我们得到了较为均一的冷冻电镜样品,为进一步研究30 nm染色质纤维的高级结构及理解体内染色质存在的形式及动态过程打下了较好的基础．     

染色质重塑与肌肉分化

在真核生物中,基因组DNA是以染色质的状态存在和发挥作用的。目前的研究已经鉴定了多种可以调节染色质结构和功能的蛋白质和酶复合物,包括不依赖ATP的染色质修饰酶、依赖于ATP的染色质重塑复合物,以及募集DNA甲基化／去甲基化装置的核小体相关蛋白质复合物等。在骨骼肌分化过程中,MyoD家族和MEF2家族的转录因子起着重要作用。染色质修饰酶通过MyoD和MEF2介导的染色质重塑影响肌肉分化。