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。     

Alu元件在染色质三维结构层次上的生物信息学分析

染色质在细胞核内三维高级结构包括最底层的核小体、核小体组成的"串珠"结构、螺线管纤维结构、染色质/DNA环结构(chromatin/DNA loop)、拓扑结构域(topologically associated domain, TAD)等多层次结构。其中,TAD因在不同的细胞类型中相对稳定且保守,被认为是染色质三维结构的基本单元。Alu元件是一种哺乳动物基因组中占据了较大比例的短散在重复元件,其广泛存在且种类繁多,目前关于Alu元件功能上的研究尚不透彻。本研究对Alu元件与染色质三维结构的关系进行研究,分析了Alu元件在染色质三维结构形成中的作用,并通过染色质三维结构上的距离关系对Alu元件子族的演化流程进行了探索。结果发现,Alu元件参与的染色质间相互作用在高强度的染色质相互作用中的比例随着强度增加而逐渐增高,表明Alu在染色质三维结构构建的过程中发挥了重要的作用。同时,研究还发现Alu元件在染色质上相互作用的强度与进化上的关系存在着一定的正相关性,表现在一维序列进化距离上比较接近的Alu元件在染色质的三维结构上也会彼此相互靠近。     

影响染色体三维结构的主要因素及其研究进展

染色体的三维结构与基因表达的精准调控密切相关,染色体空间结构的改变也常会影响细胞中多种生物学活动的有序进行.近年来,染色质空间构象捕获技术和测序技术的发展,使得三维基因组学的研究取得一系列进展.科学家们发现,染色质逐级折叠压缩,具有严密的层级结构,而影响染色质三维结构的因素则涉及DNA序列和蛋白复合体等多个方面.本文综述了影响三维基因组结构的主要因素,包括一维基因组层面上的DNA序列及其共价修饰、与基因结构以及顺式调控元件相互作用的蛋白复合体、核小体排布与组蛋白修饰以及在有丝分裂和染色体多倍化等过程中特有的三维结构变化等多个方面.通过总结这些因素如何影响染色体的三维结构以及相关的研究现状,揭示了染色体三维结构研究的重要作用.本文还简要总结了三维基因组学研究所面临的主要问题,并据此展望该领域将来的主要研究方向和可能的应用前景.     

染色体三维结构重建方法研究

染色体三维结构重构问题是近年生物领域中基因组学的热点研究问题,是以二维交互频率数据为基础来预测其三维空间结构。最新相关实验表明染色质的三维空间结构对于基因表达、调控等方面都具有重要意义。而Hi-c数据能利用染色质交互信息形成二维接触矩阵重构出染色体三维结构。本综述以染色体三维结构重建方法为研究对象,通过对染色体三维结构重建方法进行比较分析,综述了目前基于Hi-c数据在染色体三维结构重建中的经典方法,系统介绍了染色体三维结构重建技术的发展脉络,以促进染色体三维结构重建的进一步研究。     

核基质附着区广泛参与基因组三维结构折叠的生物信息学分析

在细胞分裂间期,每条染色质都占据着特定的染色质领域（chromosome territory,CT）。每个CT领域内进一步分成不同的拓扑学相关区域（topological associated domain,TAD）,每个TAD又由若干子TAD（sub-TAD）构成。不同的TAD相互聚集,形成基因活跃表达和不表达的A、B两种组份或区室（compartment）。然而,目前对于染色质折叠方式及维持机制的研究尚无定论。核基质附着区（matrix attachment regions,MARs）是在不同物种基因组中广泛存在的一类富含AT序列的与核基质结合的DNA元件,能够通过与CTCF、SATB1等调控蛋白质相互作用,对远距离的基因表达进行调控。本研究以染色质三维结构为背景,通过整合染色质三维结构及组蛋白修饰等组学数据,对MARs元件与染色质三维结构的关系进行研究,对MARs元件参与形成的相互作用网络的结构及功能进行探索。结果发现,MARs元件与染色质三维结构高度相关,而且在高强度相互作用中占据较大的比例,提示MARs元件在染色质折叠方面发挥作用。此外,通过拓扑结构聚类分析还首次揭示,MARs元件分为不同类型,包括维持染色质领域及空间构象等的结构单元部分,以及调控基因表达等的功能单元部分。这表明,MARs元件在基因组三维高级结构的建立、维持以及功能等方面发挥重要作用。     

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。     

基于Hi-C技术哺乳动物三维基因组研究进展

基因组DNA在细胞核中并不是呈线性的一字排列,而是以三维结构高度折叠并浓缩成染色质的方式储存于核内,具有特定的高级空间结构和构象。高通量染色体构象捕获(high-througnput chromosome conformationcapture, Hi-C)技术于2009年首次被提出,目前已得到大规模运用,使得人们对于三维基因组学有了更深刻的认识。研究表明,哺乳动物基因组三维层级结构单元由大到小依次为染色体疆域(chromosome territory, CT)、染色质区室(chromatin compartment A/B)、拓扑关联结构域(topological associated domain, TAD)和染色质环(chromatin loop),这些层级结构单元在基因转录和表达调控过程中发挥着重要作用。本文基于Hi-C技术从染色质的三维层级结构划分、构象单元作用以及三维基因组在发育、疾病等方面的应用进行阐述,旨在为更深入地了解哺乳动物三维基因组学研究提供参考。     

三维基因组学在动物遗传育种中的研究进展*

三维基因组学是近年兴起的研究基因组三维空间和结构的学科,是在基因组序列、基因结构及其调控元件的基础上对基因组序列在细胞核内的三维空间结构,及其对基因复制、转录、修复和调控等生物过程中的功能进行的研究。随着高通量测序技术的出现和改进,三维基因组学相关研究也得到快速发展。重点介绍三维基因组的发展历程、研究技术、结构层次,并总结近年来三维基因组学在动物遗传育种方面的应用。     

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.     

CRISPR/Cas9基因编辑在三维基因组研究中的应用

CRISPR/Cas9系统在基因编辑方面具有巨大优势,能够低成本、可编程、方便快捷地用于动物、植物以及微生物的基因组靶向编辑和功能改造。三维基因组学是近年来兴起的一门研究染色质高级结构动态调控及基因组生物学功能的交叉学科。在三维基因组研究中,通常采用对DNA片段进行基因编辑以模拟基因组结构性变异,标记特定DNA片段,进而研究调控元件对于基因调控、细胞分化、组织发生、器官形成、个体发育的影响,最终阐明三维基因组的组装调控机制和生物学功能。因此,CRISPR及其衍生技术为研究三维基因组提供了极好的遗传学工具。本文主要综述了CRISPR片段编辑及其衍生技术在三维基因组调控与功能研究中的应用,以期为后续研究工作提供理论参考以及新的研究思路。     

三维基因组数据分析方法进展

对染色质三维结构的探究逐渐成为了解基因组功能与基因调控关系的必要手段.近年来,随着高通量染色体构象捕获(Hi-C)等技术的发展和高通量测序成本的降低,全基因组交互作用的数据量快速增长,交互作用图谱分辨率不断提高.这给三维基因组学发展带来机遇的同时,也给计算建模带来了挑战.当前,三维基因组数据的分析方法覆盖面广,包括了数据前期处理、标准化、可视化、特征提取、三维建模等环节,但是如何从中选择高效、准确的方法却成为制约研究者们开展研究的一项关键因素.本文根据这些方法的适用场景、原理及特点进行系统地归纳,并重点关注了针对新技术或新需求的分析方法,以期促进这一领域中信息学方法的应用和开发,助力三维基因组学的研究.     

绝缘子调控基因的表达

绝缘子在调控真核基因时空特异表达的过程中起着至关重要的作用.它的主要功能是增强子阻断和异染色质屏障.已经有竞争、阻断和成环等模型描述其增强子阻断功能;而它的异染色质屏障功能主要是通过影响染色质组蛋白的翻译后修饰来实现.已经确定的绝缘子包括果蝇基因组中的染色质特化结构(specialized chromatin structures, scs)和scs、gypsy、鸡珠蛋白β基因座上游的DNaseⅠ高敏感位点cHS4以及小鼠或人Igf2/H19基因座上的印记控制区(imprinting control region, ICR)和DNA甲基化区域(DNA methylated regions, DMR)元件等.许多转录因子参与绝缘子的基因调控作用,例如脊椎动物中的CCCTC结合因子(CCCTC binding factor,CTCF).利用基因组学和生物信息学等方法,还可以在基因组中发现新的绝缘子元件.     

人类基因组中的保守非编码元件

比较基因组学的研究发现: 人类基因组中约5%的序列受到选择压力的限制, 但编码序列只占其中很小一部分, 约3.5%是保守、非编码序列。这些保守非编码元件具有重要功能。可能在染色质构型(高级结构)、DNA转录和RNA加工等不同水平参与了基因的表达调控, 与哺乳动物的形态发生和人类疾病相关。文章简要综述了保守非编码元件的识别、功能及验证、起源演化以及与人类疾病的关系。     

浅谈染色质高级结构与基因转录的远程调控

精确的基因表达调控是细胞分化、个体发育和细胞维持正常生命活动的必要条件,转录调控是真核细胞基因表达调控最关键的环节,其神秘和精深吸引着无数科学家为之奋斗不已。染色质构象捕获及其衍生技术的建立和2003年启动的"DNA元件百科全书"计划,将人们对基因转录调控的认识从二维层面推向三维空间。基因组中分布着众多调控元件,它们与所调控的靶基因间可相距几万甚至几十万个核苷酸,可以与靶基因位于相同或不同的染色体上。依据染色质环模型,调控元件可通过染色质环高级结构,与靶基因在空间上充分接近并相互作用,发挥其调控功能。同一个调控元件可以调控不同的靶基因,而相同的基因亦可能受不同调控元件的调节,由此细胞在染色质高级结构层面形成了一个复杂的调节基因转录活性的三维网络。该文分别从基因远程调控现象的发现、研究方法、相关机制及面临的挑战等方面作一简要综述。     

动物早期胚胎发育中染色质结构的继承和重编程

染色质开放性和染色质三维高级结构在基因表达和调控中发挥着非常重要的作用,广泛参与分化、发育、肿瘤发生等细胞生理过程,是表观遗传研究的热点领域之一。动物胚胎发育起始于终端分化的卵子受精形成全能性的受精卵。在精卵结合的过程中,染色质开放性和染色质三维高级结构发生了剧烈的变化,经历继承、重编程、重新建立的过程,并指导调控受精卵分化发育最终成为多细胞、多器官组织的新生命个体。本文介绍了近年来研究染色质开放性和染色质三维高级结构的实验分析技术手段,染色质结构在动物早期胚胎发育过程中的变化规律及其在早期胚胎发育中的作用,染色质结构与其他表观遗传信息(甲基化、组蛋白修饰等)关系方面的重要研究进展和存在的科学问题,以期为表观遗传调控早期胚胎发育的研究提供参考。     

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。     

探索染色质三维构象的“工具箱”研究进展

三维基因组学是研究基因组三维空间结构与功能的一门学科.基于不同的研究目的和生物学问题,目前发展出了各种各样的三维基因组学研究方法,这些方法对推动三维基因组学发展有积极的影响.本文以三维基因组学的提出和发展过程为线索,对三维基因组学的主要研究方法进行了系统地归类与介绍,包括基于测序技术(基于邻近连接)的Hi-C, capture Hi-C, single-cell Hi-C, DLO Hi-C, ChIA-PET, Hi-ChIP等;基于测序技术(不基于邻近连接)的ChIA-Drop, SPRITE, GAM;以及基于影像技术的seqFISH, CRISPRainbow, SABER amplifies FISH.最后,本文对染色体构象捕获技术的发展方向进行了简单的展望.     

基于生物信息学的Hi-C研究现状与发展趋势

染色体的空间交互作用被视为影响基因表达调控的重要因素,高通量染色体构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture,Hi-C)技术已成为3D基因组学中探索染色体空间交互作用的主要实验手段之一。随着Hi-C样本数据的持续累积以及分析处理流程复杂度的不断提升,基于生物信息学的Hi-C数据分析对探究基因表达的时空调控机制而言,是机遇也是挑战。本文从生物信息学角度,综合阐述了Hi-C的国内外研究现状及发展动态,包括数据标准化、多级结构分析、数据可视化以及三维建模,重点剖析了多级结构中的A/B区室(A/B compartments)、拓扑相关域(topological associated domains,TADs)和染色质环(chromain looping),在此基础上分析了该方向未来可能的研究热点及发展趋势,以期为将基因表达调控的探索从传统线性空间进一步拓展到三维结构空间提供支持。     

染色质的高级结构与调控

真核生物中,DNA作为遗传物质并不是裸露存在的,而是以染色质的形式存储在细胞核中。作为遗传信息的载体,长达数米的基因组DNA被压缩在微米级的细胞核中却能精确地控制生物高度有序的各种生理活动,因此,染色质的空间结构必定具有一定的规律性且高度可控。而30 nm染色质纤维作为从核小体串珠结构到高级染色质结构中间一个关键的结构阶段,在诸多DNA相关的生命活动中起重要调控功能,因此,对其结构及动态调控相关的研究具有重要的生物学意义。现总结近年来30 nm染色质纤维精细结构解析以及染色质结构动态调控方面的一些重要最新进展,同时,也对细胞核内染色质纤维结构的一些基因组学和电镜方面的最新研究进行了讨论和展望。     

大鼠老化过程小脑神经元染色质核小体线性和空间排布特征分析

阐明真核细胞染色质核小体线性和空间排布特征及其机制是染色质结构和功能研究的核心内容．近年来随着染色质分子生物学研究的深入,人们发现染色质核小体不仅作为真核基因组三维结构的基本结构单元,而且在细胞核内线性和空间排布（ｌｉｎ－ｅａｒａｎｄｓｐａｃｉａｌａ...