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。     

DNA甲基化与基因表达调控研究进展

表观遗传修饰是指不改变DNA序列的、可遗传的对碱基和组蛋白的化学修饰,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA等.表观遗传修饰是更高层次的基因表达调控手段.DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰,参与基因表达调控、基因印记、转座子沉默、X染色体失活以及癌症发生等重要生物学过程.近年来随着研究方法和技术的进步,全基因组DNA甲基化的研究广泛兴起,多个物种全基因组甲基化图谱被破译,全局水平对DNA甲基化的研究不仅利于在宏观层面上了解DNA甲基化的特性与规律,同时也为深入分析DNA甲基化的生物学功能与调控奠定了基础.结合最新研究进展综述DNA甲基化在基因组中的分布模式、规律以及和基因转录的关系等.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于DNA变形能的核小体定位预测方法研究进展

真核细胞中,作为染色质基本结构单元的核小体参与调控基因的转录、DNA复制、重组以及RNA剪接等诸多生物学过程。阐明核小体定位机制并准确预测核小体在染色体上的位置对解读染色质结构与功能有重要生物学意义。在过去30多年时间里,研究人员发展了多种预测核小体位置的方法。最理想的方法应考虑DNA序列、组蛋白修饰和染色质重塑等影响核小体定位的诸多因素,然而现实中,捕捉主要因素的模型也往往具有很高的鲁棒性和实用价值。DNA序列偏好性是在全基因组尺度上影响核小体定位的最重要因素之一,因此基于DNA序列的核小体定位预测方法也最常见。这种方法可大致分为两类,即基于DNA序列信息的生物信息学模型和基于DNA变形能的生物物理学模型。本文重点介绍生物物理学模型近些年取得的主要进展。     

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。     

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.     

植物外源基因组成分鉴定方法的研究进展

具外源基因组成分(外源染色体/染色体片段/基因)植株是目前进行基因组学研究以及作物改良的重要材料.迄今为止,已建立了基于性状观测、染色体分析、特异蛋白、DNA序列4种鉴定外源基因组成分的策略.其中,基于DNA序列的分子标记技术是当前鉴定外源基因组成分的主要手段,文中归纳了用于小麦、甘蓝等重要作物外源基因组成分的分子标记...     

鼻咽癌的表观遗传学研究进展

表观遗传学是功能基因组学的重要组成部分,它实际上是研究理化、生物等环境因素以及饮食习惯等对遗传因素的作用,并由这一作用引起DNA序列以外的遗传物质改变.鼻咽癌是我国南方常见恶性肿瘤,具有明显的家族聚集倾向,存在基因组不稳定性,易受理化、生物等环境因素的影响,是多基因遗传性肿瘤.鼻咽癌这种独特病因体系提示:鼻咽癌是研究肿瘤表观遗传修饰的最佳模型之一.主要从DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重构和非编码RNA的调控4方面对鼻咽癌表观遗传学研究进展进行综述并针对性地提出了一些新的建议,目的是为进一步探究鼻咽癌表观遗传学发病机制,更好地全面理解鼻咽癌的病因发病机制网络体系,寻找鼻咽癌高危易感人群的筛查、早期诊断、治疗、预后判断的表观遗传修饰分子标志物开辟新的前景.     

植物表观遗传修饰与病原菌胁迫应答研究进展

真核生物基因表达受到染色质结构的调控,组蛋白与DNA的共价修饰构成表观遗传标签,并在植物胁迫应答如防御病原菌侵染过程中起重要作用.病原菌侵染可引起基因组整体DNA甲基化模式变化及胁迫应答基因的位点特异性去甲基化,导致植物抗性基因表达上调或下调,并进一步调控植物对病原菌的胁迫应答;组蛋白去乙酰化酶HDAC通过茉莉酸途径增强植物对病原菌的胁迫应答;此外,染色质重塑复合物Swr1复合体通过识别DNA基元和组蛋白乙酰化修饰状态靶向基因启动子,负调控SA敏感基因.该文从DNA甲基化、组蛋白乙酰化、甲基化修饰,染色质重塑等方面着重阐述植物与病原菌互作过程中发生的主要事件的分子基础及其研究进展.     

染色质构象解析技术——Hi-C及染色质构象信息提取

真核生物染色质在核内的空间组织形式能影响DNA的空间分布,因而对基因转录、DNA复制等生物学过程具有调节作用。目前对这种空间上高度有序的基因组结构的认识还是粗糙的、碎片式的和不完整的。近年,利用染色质构象捕获技术发展起来的衍生技术——Hi-C技术,是一种研究全基因组范围的染色质相互作用以及探明全基因组的三维结构的分析技术。利用Hi-C技术能够对染色质内部或所有染色质之间的相互作用进行精细分析,从而把基因表达调控引入到空间的、全局性的研究层面,为全面解析与DNA有关的生物学过程的机理开启新的契机。本文主要阐述染色质构象解析技术Hi-C的实验原理、数据处理以及染色质构象信息提取,包括染色质内相互作用情况分析、全基因组基因活性分类、拓扑关联结构域(TAD)和染色质环(chromatin loop),介绍染色质构象信息与基因调控研究方面的国际前沿进展。     

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。     

侧翼序列获取技术研究进展

侧翼序列是指染色体中特定位点两侧的DNA序列,包含着候选基因、转录调控、染色体结构、生物安全等信息,在基因组学研究中具有重要的作用。侧翼序列获取技术主要应用于启动子和增强子等调控序列的克隆、鉴定T-DNA或转座子插入位点、染色体步移、全基因组空隙填补等,是结构基因组研究以及功能基因组研究的重要手段,在转基因动植物鉴定及安全管理等方面具有重要应用。随着分子生物学的发展,目前已经建立了许多侧翼序列的获取方法,依据技术原理可以分为质粒拯救法、反向PCR法、外源接头介导PCR法、半随机引物PCR法和基因组重测序法等5大类。本文系统总结了近年来侧翼序列获取技术的研究进展,并对这些技术的原理以及应用情况进行了较为系统的综述,为侧翼序列信息的获取提供参考。     

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。     

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.     

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。