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。     

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正染色体三维结构重构Three-dimensional reconstruction of chromosomes染色体三维重构是近年来基因组学研究的重要手段,利用测序技术获得的染色体空间结构信息,本质是根据染色体二维接触频率数据来预测其在细胞核中的三维形态。基于染色体构象捕获(Chromosome conformation capture,3C)技术的高通量Hi-C(High-throughput/resolution chromosome conformation capture)     

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.     

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。     

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。     

全基因组染色质相互作用Hi-C文库制备的优化及其质量控制

Hi-C(highest-throughput chromosome conformation capture)技术是近年出现的一种研究染色质相互作用的关键技术。该技术步骤多、耗时长,涉及的试剂耗材繁杂,目前常规流程还有较多可以改进优化的步骤。本研究以GM12878细胞为材料,通过优化常规Hi-C实验中的交联、酶切、限制性内切酶的失活、末端生物素标记、原位连接等关键步骤,建立了稳健的Hi-C流程,制备了相应的Hi-C文库。文库经初步的Sanger测序等质量控制以后,两个生物学重复文库进行了高通量测序。测序结果利用生物信息学处理发现：原始测序数据中可比对率和配对率分别达到90%和72%左右。此外,去除自连片段(self-circular ligation)和dangling-ends片段以后,可获得超过96%的有效相互作用对,其中染色体内相互作用数据达到60%。进一步的染色体相互作用热图分析可见清晰拓扑学相关结构域TADs(topologically associated domains),与已发表的文献报道一致。而两次生物学重复之间的相关性分析则表明bin coverage和all bin pairs的相关性都极强。上述结果表明通过对常规Hi-C流程关键步骤的优化,本研究建立了高效、稳健、可靠的Hi-C流程,对Hi-C技术的进一步使用与推广具有重要的参考价值。     

三维基因组测序技术发展

近20年来,研究者们通过大规模DNA测序,在基因组、转录组和表观基因组方面获得了大量的信息,这些信息为人类基因组中的功能元件和相互作用机制等研究提供了许多详细的视图。但明确2 m长的DNA如何组装在10μm左右的细胞核中仍是一个挑战性的工作。人们着眼于多角度探究染色质在狭窄空间里的精准调控表达,因此,三维基因组研究也越来越受到关注,与此相关的技术也在不断发展中。主要介绍以核邻位连接为基础的染色质构象捕获技术(3C)及其衍生技术,如4C、5C、Hi-C及其衍生技术、Ch IA-PET、原位Hi-C,以及DLO Hi-C等,并简单介绍应用这些技术已取得的重要成果以及未来的发展方向。     

基于Hi-C技术识别基因组结构变异及其在肿瘤研究中的应用

基因组结构变异是多种肿瘤发生的重要驱动因素.虽然目前有基于核型分析、PCR免疫荧光和芯片杂交以及高通量测序等技术可用于基因组结构变异的检测,但由于技术的局限性,现今仍缺乏被广泛认可的基因组结构变异检测方法和相应的分析工具.在肿瘤样本中检测基因组结构变异更是面临严峻的挑战.近20年来,染色体构象捕获技术及其衍生的高通量技术Hi-C等,已经为三维基因组结构的解析提供了大量的组学数据.基因组结构变异通常引起三维基因组空间图谱的异常,通过Hi-C图谱的异常来检测结构变异成为一个新的研究方向.基于Hi-C技术的检测方法有其独特的优势,如可以比较准确地检测位于基因组上重复序列区域的结构变异,但也存在一定的局限性,如不能检测小的结构变异等.本文系统回顾了基因组结构变异的主要研究方法、工具及相应的原理等,并重点讨论了运用Hi-C技术检测结构变异的基本原理、技术优势和局限性,最后介绍了该技术在肿瘤研究中的实际应用.     

昆虫学研究进入基因组学时代

自2000年果蝇(Drosophila melanogaster)基因组公布以来,昆虫基因组学得到了快速发展并为昆虫学的研究思路和方法带来了革命性转变.本文介绍了近年来DNA测序技术和生物信息学的发展及其对昆虫基因组学研究的促进作用,综述了模式昆虫、卫生害虫、社会性昆虫和农业昆虫的基因组学研究现状,并对昆虫基因组学研究的意义和发展趋势进行了总结和展望.     

使用边扩增边连接技术以两步PCR反应制备两个癌症候选基因的重测序DNA文库

近年来应大规模基因组学和遗传学研究发展的需要,能够提供“高通量、低成本、低劳动量”测序服务的新一代大规模并行测序技术应运而生.辅助其应用的生物信息分析软件和实验方法也层出不穷.而在关联研究如癌症研究中有广泛应用的基于PCR的基因组学和遗传学研究方法,却因其研究的目标区域较短,而较少地受益于采用“鸟枪法测序”策略的新一代测序技术.尽管已提出诸如“芯片捕获法”、“目标选择法”等技术克服这一难题,但这些方法对仪器和实验室操作的额外要求限制了它们的应用和推广.本实验提出一种能简便克服这一难题的“边扩增边连接方法”（Ligation by Amplification,LBA）：使用一对“公用接头”和两步PCR反应将多个目标区域随机连接起来,其随机连接而成的长链产物可被简易地随机片段化并在新一代测序仪上测序.使用专门设计的、包含公用接头的LBA引物,将人类基因组保守编码序列中两个癌症相关基因：BRCA1和BRCA2的外显子进行扩增,并将所得到的70个扩增产物在一步PCR过程中进行边扩增边连接.所得的长链LBA产物经随机片段化后制备成可被传统Sanger测序法和新一代边合成边测序技术测序的DNA文库,分别在ABI3730xl测序仪和Illumina/Solexa Genome Analyzer测序仪上进行测序.对目标序列的覆盖度、覆盖深度和单核苷酸多态性检测的有效性的生物信息学分析证明：运用本方法可高效地在新一代测序仪上进行基于PCR的重测序和遗传多态性研究,推动各种基于PCR的基因组学和遗传学研究的发展.     

利用改进的3DMax算法重构染色体3D结构

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,促使染色体和基因组三维结构建模的研究取得了很大进展,已经提出了几种从染色体构象捕捉数据中构建单个染色体或整个基因组结构的方法。文中通过对在 Hi-C 数据基础上对染色体三维结构重建的相关文献进行分析,总结了重建染色体三维空间结构的经典算法3DMax的原理,并且提出了一种新的随机梯度上升算法:XNadam,是Nadam优化方法的一个变体,将其应用于3DMax算法中,以便提高3DMax算法的性能,从而用于预测染色体三维结构。     

下一代测序技术在干细胞转录调控研究中的应用

基因转录调控及其机制分析是后基因组时代生物学研究的重点之一。随着高通量测序技术的发展,人们可以从不同层面研究基因的转录调控行为,从转录组、转录因子结合,到染色质局部结构和整体空间构象,可系统分析转录调控的分子机制。干细胞分化过程的转录调控分析对研究再生医学和理解细胞癌变机制等具有重要意义。本文综述了下一代测序技术在干细胞转录调控研究中的应用,包括：(1)基于基因芯片或RNA测序的转录组分析;(2)基于染色体免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation, ChIP)测序的表观基因组和转录因子结合信息的分析;(3)基于DNase 酶切测序(DNase-Seq)的染色质开放性分析;(4)基于高通量染色质构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture, Hi-C)技术的染色体远程相互作用分析。从基因表达谱、转录因子结合和基因组三维结构等层面展开介绍,重点关注了一些多能性转录因子(Oct4、Sox2和Nanog等)在维持干细胞干性和分化中的调控作用,以期为干细胞转录调控的研究提供借鉴和参考。     

甘蔗基因组研究进展

甘蔗基因组庞大(10 Gb)且为高倍体(5x~16x),甘蔗基因组的研究相对滞后。随着生物技术发展,如测序组装(Pacbio、Hi-C)、分子标记以及荧光原位杂交(FISH)技术,实现了对高粱、水稻以及小麦等多种禾本科植物有关的基因组研究工作。这些重要技术为研究甘蔗基因组提供了新手段。该文综述了甘蔗的起源、分类、图谱的构建,与近缘种的共线性,基因组结构以及核型演化等甘蔗的基因组学特征,以期为甘蔗基因组深入研究提供参考。     

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。     

高通量测序技术在动植物研究领域中的应用

高通量测序是核酸测序研究的一次革命性技术创新, 该技术以极低的单碱基测序成本和超高的数据产出量为特征, 为基因组学和后基因组学研究带来了新的科研方法和解决方案. 在动植物研究领域, 高通量测序引领了一次具有里程碑意义的科学研究模式革新, 科研人员可利用该技术在基因组、转录组和表观基因组等领域展开多层次多方面多水平研究. 本文就高通量测序技术应用于动植物基因组学和功能基因组学研究进展进行了系统阐述, 并对当前高通量测序技术的现状和热点及未来的发展趋势作了深入剖析和讨论.     

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。     

基于原位Hi-C技术对人肝细胞癌细胞系PLC/PRF/5和正常人肝细胞系L02的三维基因组对比测序分析

肝细胞癌(Hepatocellularcarcinoma,HCC)的肿瘤发生是基因组突变和表观遗传修饰变化积累的结果,但是HCC发生过程中的三维基因组构造变化仍然缺乏研究.基于此,在人源HCC细胞系PLC/PRF/5和人源正常肝细胞系L02中进行了原位Hi-C分析,并辅以转录组测序以及SMC3/CTCF/H3K27ac...     

单分子测序与个体医学

目录一、前言二、基因组学的产生、发展及研究方法的演进三、基因芯片技术四、新一代基因测序技术(一)新一代测序技术的技术对比(二)单分子测序技术的基本原理(三)单分子测序技术所面临的挑战五、单分子测序技术的应用(一)在基因组学和系统生物学研究领域的应用(二)在基因表达图谱和单核苷酸多态性等研究领域的应用(三)在个体医学领域的应用六、结语