關于Hi-C
Hi-C(High-through chromosome conformation capture)技術源于染色體構象捕獲 （Chromosome conformation capture, 3C）技術，以整個細胞核為研究對象，利用高通量測序技術，結合生物信息分析方法，研究全基因組范圍內整個染色質DNA在空間位置上的關系，通過對染色質內全部DNA相互作用模式進行捕獲，獲得高分辨率的染色質三維結構信息。
（引自Pueschel R, Coraggio F, et al. From single genes to entire genomes: the search for a function of nuclear organization. Development , 2016 , 143 (6) :910）
通過Hi-C技術可以獲得全基因組范圍內的互作信息，得到染色體三個層級的三維結構：A/B compartment、拓撲相關結構域（TAD）、染色質環（loop）。
解析文獻
Alterations in promoter interaction landscape and transcriptional network underlying metabolic adaptation to diet
期刊：Nature Communications
IF：11.878
背景
為應對可能對健康產生重大影響的食物供應和食物營養含量的波動，動物對營養質量和有效性的響應范圍已經進化到從完全缺乏營養素到過量。隨著西方生活方式的普及，高脂肪、高能量飲食，肥胖和NAFLD成為人們日益關注的健康問題。在卡路里過多的情況下，肝臟通過動態轉錄組重編輯來適應營養過剩，這是維持代謝體內平衡所必需的多種適應之一。目前基因調控對介導肝臟代謝適應過多卡路里攝入的機制未完全了解，對啟動子-增強子互作動力學的詳細分析，可以了解從營養誘導的代謝適應到疾病發展的過程。增強子通常距離其靶基因很遠，因此難以準確地研究將特定的增強子分配給其靶基因及基因調控的細節。Hi-C被應用于識別全基因組染色質相互作用，并提供對高階染色質組織的了解。
作者采用飲食誘導肥胖的C57BL / 6J小鼠模型，在這些小鼠的肝臟組織上進行了Hi-C和PCHi-C，結合ChIP-seq和RNA-seq，以研究飲食誘發肥胖過程中啟動子錨定的染色質互作動力學。
結果
1、慢性肥胖致肝臟轉錄組重編
作者對雄性C57BL / 6小鼠進行了飲食研究，五周大的小鼠適應普通飲食（NIH-31），隨后（每組5只小鼠）接受高碳水化合物和高脂的飲食20周。在研究過程中，高脂飲食的小鼠明顯肥胖，在20周后總體重幾乎是高碳水化合物飲食的兩倍。肥胖小鼠的葡萄糖和胰島素耐受性較差，血漿胰島素和瘦蛋白水平顯著增加，這表明它們的代謝功能異常。
為了確定肥胖如何影響全身代謝，將喂食LD（高碳水化合物飲食）和CD（高脂飲食）的小鼠測量其耗氧量（VO 2），二氧化碳產生量（VCO 2）和能量消耗（EE）。與CD組相比，LD組的平均EE，VO 2和VCO 2值降低，血漿總膽固醇，高密度脂蛋白（HDL），低密度脂蛋白（LDL），天冬氨酸轉氨酶（AST）和丙氨酸轉氨酶（ALT）明顯升高。LD組脂肪組織和肝臟質量均顯著高于CD組，脂肪細胞大小增加。
圖1飲食對代謝參數的影響
為了解肥胖的轉錄反應，作者對研究小鼠（每組5只）的肝臟進行RNA-seq，差異表達基因（DEG）分析確定了高脂肪飲食的肥胖組中有2066個基因上調，而高碳水化合物飲食組有1663個基因上調。在慢性肥胖和NAFLD中，脂質代謝受到干擾，其特征是介導新脂質生成（DNL）的基因下調，而涉及脂肪酸氧化的基因（FAO）上調。轉錄組中的差異反映了高脂質和高碳水化合物的飲食在小鼠肝臟中活躍的代謝狀態和調控網絡的差異。
2、慢性肥胖改變了肝臟的增強子網絡
為了解適應肥胖是如何影響增強子活性，作者通過肝臟組織ChIP-seq對H3K27ac（每組3只）進行了分析。研究發現差異富集的基因座大多位于遠離TSS的位置，并且被歸類為增強子。高脂飲食組中富含H3K27ac的區域，最富集的基序對應于ETS（ETS1，EHF），bZIP（FOSL2，JUN-AP1和ATF3）和C / EBP（C / EBPA， C / EBPB和C / EBPE）家族轉錄因子。
圖2慢性肥胖的肝臟轉錄組和增強子網絡會重編輯
3、肥胖不會改變與拓撲相關結構域
為詳細了解染色質互作，作者在高碳水化合物和脂質的飲食中對小鼠（每組2只）的肝臟進行了原位Hi-C處理。與預期一樣，飲食和肥胖及其所有相關的生理和代謝變化均未影響A和B區室的模式。作者比較了兩組之間的TAD邊界，約90％的邊界相同，表明在肥胖和NAFLD期間高階染色質組織保持不變。
圖3慢性肥胖肝臟中的高級染色質結構
4、在代謝適應中促進染色質相互作用
作者在Hi-C數據中發現高脂質飲食的肝臟中34,982個顯著的染色質互作，以及高碳水化合物飲食中37,185個顯著的染色質互作，分別有28,682和30,502個染色質相互作用與基因啟動子（TSS +/- 2 kb）重疊。為獲得肝臟中啟動子錨定的染色質互作及其在適應肥胖后的變化的高分辨率視圖，作者進行了啟動子捕獲Hi-C（PCHi-C）（每組2只）。LD和CD組共享了很大一部分交互作用（54％），這表明許多啟動子互作是穩定的。幾乎80％的相互作用跨越<500 kb，大約13％的相互作用發生在兩個啟動子之間，表明啟動子調控遠端基因元件。
為了解啟動子相互作用對基因表達的潛在調控作用，作者將啟動子互作與基因表達相關聯。通常，啟動子互作的數量增加與基因表達呈正相關，作者還觀察到也富集了未表達基因的啟動子互作，這表明某些啟動子相互作用是預先形成的，而不是由增強子激活誘導的。作者測試了H3K27ac富集與啟動子互作區域（PIR）的交集，值得注意的是，具有H3K27ac富集的PIR與基因表達的增加顯著相關，這支持啟動子與活性增強子的接觸會上調基因表達的模型。
圖4在代謝適應飲食中啟動子錨定的染色質互作調節的基因表達變化
5、差異表達基因的啟動子接觸改變
為了解代謝適應飲食是否改變了肝臟中的啟動子環化，作者使用了edgeR 來鑒定染色質相互作用模式的差異。其中1962個重編的啟動子相互作用中，高脂質的飲食中增加705次，而高碳水化合物的組中增加1257次，分別與109和228 個DEG重疊。比較與靜態環相關的DEG，只有對高碳水化合物的飲食有反應的啟動子/增強子相互作用與基因表達的增加顯著相關。這表明，新形成的啟動子互作有助于代謝基因的轉錄調控，并且可能與飲食有關。
6、預形成的啟動子-增強子相互作用
為了解在Hi-C數據中，與啟動子互作的增強子的活性狀態是否反映了基因表達，作者檢查了差異富集的H3K27ac與啟動子遠端互作位置的重疊，發現了4449個啟動子-增強子相互作用，其中H3K27ac在高脂質的飲食組中差異性富集。無論飲食如何，啟動子與乙?；鰪娮踊プ鞯腄EG均上調，在預形成的環中，增強子的激活狀態發生變化的啟動子-增強子環的數量（6452）大大超過了條件變化后形成的新環的數量（1962）。這些發現表明，已經與啟動子互作的增強子的激活，代表了代謝應激期間遠端基因調控的一種重要模式。
圖5 飲食改變了啟動子互作
7、轉錄組分析將Hnf4α與代謝聯系起來
為了評估哪些轉錄因子結合參與基因表達變化，作者在啟動子中進行了基序分析，觀察到包括Hnf4α 的幾個TF基序的富集 ，HNF4α是信號響應轉錄因子，在調節脂質代謝中起重要作用。作者通過qPCR和免疫印跡，發現肥胖組中Hnf4α在蛋白質和mRNA水平上的下調，C18多不飽和脂肪酸包括亞油酸是HNF4α的已知配體。接下來，作者進行了ChIP-seq（每組2只），以了解Hnf4α如何響應肥胖。肥胖組中更多的Hnf4α富集峰與脂質配體對Hnf4α的活化相一致，作者還觀察到啟動子的遠端互作與Hnf4α結合重疊，這表明Hnf4α與啟動子互作的位點結合。啟動子遠端互作位點Hnf4α峰增加，DEGs也顯示基因表達上調。
圖6 轉錄組分析將Hnf4α與NAFLD的代謝基因的調節聯系起來
8、Hnf4α與其他轉錄因子結合
盡管作者確定了大約4000個發生了變化的Hnf4α結合位點，但這個數字僅代表約10％的Hnf4α的全基因組結合位點。在所有Hnf4α結合位點中，有79％與富集H3K27ac的基因座共定位，這表明肝臟中大多數已鑒定的Hnf4α結合區域是在兩種情況下都存在且活性元件或開放染色質不易改變。如此大比例的Hnf4α結合位點是穩定的，作者假設Hnf4α可能在代謝應激期間與其他轉錄因子發生功能性相互作用，研究了Hnf4α結合的激活區域中存在哪些轉錄因子結合基序，最顯著富集的共有基序是HNF4α，第二個轉錄因子是基本亮氨酸拉鏈結構域（bZIP）家族，其中包括C / EBP家族。
為了驗證基序結果，作者進行了C /EBPαChIP-seq（每組2只），發現在肝臟中有55％的C /EBPα峰與Hnf4α共定位，共結合位點涉及多種代謝途徑的基因，包括羧酸代謝，脂肪酸代謝，類固醇代謝和脂質分解代謝。作者在C /EBPα差異結合位點檢查了Hnf4α結合信號，Hnf4α信號在差異富集的C /EBPα區域較高，表明至少在這些位點上始終存在Hnf4α。這些數據表明，在與飲食的代謝適應過程中，Hnf4α經常與C /EBPα結合以調節基因表達。
圖7 Hnf4α經常與C /EBPα共結合
圖8代謝適應飲食的啟動子/增強子互作
總結
代謝適應營養狀態需要改變關鍵組織中的基因表達。作者研究了染色質相互作用動力學，以及在小鼠模型系統中順式調控基因座和轉錄網絡的變化。與高碳水化合物的飲食相比，長期攝入高脂肪的飲食會導致肝臟轉錄網絡發生嚴重的重編。通過啟動子捕獲Hi-C技術發現，啟動子與遠端調節基因座的遠距離相互作用受代謝狀態的調節，而代謝狀態具體取決于飲食。對高脂飲食的適應主要由包括Hnf4α在內的受體介導，這適應取決于增強子/啟動子環激活。適應富含碳水化合物的飲食，導致預先形成環的活化和新形成的啟動子/增強子互作。這些結果表明，對營養變化和代謝應激的適應性是通過從頭和已有的染色質互作而發生的，它們對代謝信號的反應不同。
畫重點
公眾號:金開瑞生物，對話框回復：飲食誘發肥胖
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武漢金開瑞生物工程有限公司提供的DLO Hi-C技術，是一種創新的染色質構象捕獲技術，此技術信噪比高，質量控制于早期，為解析基因組三維結構提供了一種新型、高效、經濟的研究方案。
技術優勢
1.微量細胞建庫：正常建match庫與生信分析的樣本量可低至10萬個核。
2.高成功率：細胞樣本文庫構建成功率幾乎為100%。
3.建庫周期短：只需執行兩輪簡單的消化和連接步驟即可獲得高質量的文庫。
4.數據更準確：測序前質檢，確保數據準確性
5.分辨率更高：在測序數據量更少的情況下，互作矩陣分辨率更高，染色質結構分析得到的數據也更多
6. 較高的信噪比：使用多種措施來減少噪音，保證高質量的數據輸出，分析更準確。
7. 量身定制個性化分析方案：提供DLO Hi-C的標準分析外，更注重與RNA-Seq、ChIP-Seq、ATAC-Seq和甲基化等多組學表觀遺傳分析，提供個性化的生信分析方案。