關(guān)于Hi-C
Hi-C(High-through chromosome conformation capture)技術(shù)源于染色體構(gòu)象捕獲?（Chromosome conformation capture, 3C）技術(shù)，以整個(gè)細(xì)胞核為研究對象，利用高通量測序技術(shù)，結(jié)合生物信息分析方法，研究全基因組范圍內(nèi)整個(gè)染色質(zhì)DNA在空間位置上的關(guān)系，通過對染色質(zhì)內(nèi)全部DNA相互作用模式進(jìn)行捕獲，獲得高分辨率的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)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(shù)可以獲得全基因組范圍內(nèi)的互作信息，得到染色體三個(gè)層級的三維結(jié)構(gòu)：A/B compartment、拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）、染色質(zhì)環(huán)（loop）。
●A/B?compartment（常染色質(zhì)/異染色質(zhì)）具有組織、時(shí)期、狀態(tài)特異性，在不同組織或不同時(shí)期或疾病狀態(tài)間能夠發(fā)生轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換和基因表達(dá)調(diào)控有一定關(guān)系。當(dāng)染色體上某區(qū)域發(fā)生A/B compartment轉(zhuǎn)化，會影響其中的基因的轉(zhuǎn)錄活性，通常B compartment轉(zhuǎn)換為A compartment的區(qū)域相關(guān)基因大多表達(dá)上調(diào)，而A compartment轉(zhuǎn)換為B compartment的區(qū)域相關(guān)基因則下調(diào)。
●TAD（拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域）是一段具有折疊結(jié)構(gòu)的DNA序列，是基因組在空間結(jié)構(gòu)中的基本組織形式。TAD內(nèi)部的互作頻率會顯著高于毗鄰的兩個(gè)區(qū)域之間的互作頻率，TAD結(jié)構(gòu)在不同時(shí)空下（組織、發(fā)育階段、狀態(tài)等）具有一定的保守性，同時(shí)也存在一些動態(tài)變化。
●loops是DNA在CTCF等蛋白質(zhì)的介導(dǎo)下形成遠(yuǎn)距離互作，同樣loop結(jié)構(gòu)在不同時(shí)空下（組織、發(fā)育階段、狀態(tài)等）會有一些動態(tài)變化，且通過loop錨定的位點(diǎn)中包含啟動子、增強(qiáng)子、沉默子等，當(dāng)發(fā)生loop結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，如新形成或消失，在一定程度上會影響基因的調(diào)控。
Hi-C經(jīng)典高分文獻(xiàn)解讀
題目：Global chromatin conformation differences in the Drosophila dosage compensated chromosome X.
期刊：Nat Commun
影響因子：11.878
研究背景
劑量補(bǔ)償（DC）是在不同性別具有不同核型的物種中負(fù)責(zé)平衡性染色體轉(zhuǎn)錄輸出的過程。在果蠅中，DC是通過雄性染色體X（chrX）活性基因表達(dá)上調(diào)兩倍來實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)過程由雄性特異性致死（MSL）復(fù)合物（包括蛋白質(zhì)和非編碼RNA），也稱為劑量補(bǔ)償復(fù)合物（DCC）統(tǒng)籌安排。其他模型生物的研究表明，DC和基因組的3D區(qū)室化之間存在相互作用。在胎盤哺乳類動物中，DC導(dǎo)致雌性X染色體的一個(gè)拷貝（chrX）沉默，是表觀遺傳調(diào)控研究最多的例子之一。黑腹果蠅中涉及的轉(zhuǎn)錄平均增加了兩倍，與其他全染色體范圍協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（例如哺乳動物DC）相比，可以預(yù)測DC在chrX結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的變化較小。
作者使用Hi-C檢測黑腹果蠅中劑量補(bǔ)償?shù)腸hrX的3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，首先證明劑量補(bǔ)償?shù)腸hrX參與了更多的中距離和遠(yuǎn)距離接觸；其次，雄性和雌性結(jié)構(gòu)域差異主要位于chrX上，并且結(jié)構(gòu)域邊界處絕緣減弱與DC機(jī)制有關(guān)。這些邊界還與絕緣體（BEAF-32、CP190或Chromator）相關(guān)，它們參與了性染色體的遠(yuǎn)程交互。已知DCC輔助因子CLAMP是通過增強(qiáng)可及性參與組織染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，在這些邊界附近觀察到不同的CLAMP結(jié)合信號。最后，觀察到雄性活躍基因附近的邊界之間遠(yuǎn)程互作比在雌性中更高。
研究結(jié)果
1、chrX互作的全局差異
作者在按性別分類的16–18 h發(fā)育階段的胚胎使用Hi-C技術(shù)，驗(yàn)證雄蠅中經(jīng)劑量補(bǔ)償?shù)腸hrX是否具有不同的3D結(jié)構(gòu)。首先研究雄性和雌性chrX在整體互作模式上的差異，發(fā)現(xiàn)在中/遠(yuǎn)距離（500 kb–1 Mb）雄性與雌性Hi-C信號比增加，其中許多互作矩陣中的點(diǎn)在雄性chrX中信號更高（圖1a）。
作者觀察到，在交互頻率與距離的對數(shù)圖中，同一數(shù)據(jù)集中chrX線是雄性和雌性樣本之間唯一的區(qū)別。隨著距離的增加，chrX線逐漸遠(yuǎn)離常染色體，但這在雌性樣品中未觀察到。表明相互作用的頻率隨距離的衰減較慢，這的確會導(dǎo)致中/遠(yuǎn)距離的相互作用頻率相對較高。
圖1 雄性chrX中距離/遠(yuǎn)距離的互動頻率更高
2、互作模式顯示雄性chrX可及性更高
由于單拷貝雄性chrX產(chǎn)生的讀數(shù)比雙拷貝雌性chrX相對較少，因此預(yù)期這會在互作的數(shù)量上產(chǎn)生偏差。為了克服此限制，作者設(shè)計(jì)了一種非參數(shù)方法來比較互作模式。由于DCC作用，劑量補(bǔ)償?shù)腸hrX顯示出轉(zhuǎn)錄活性增加。結(jié)果表明，在雄性chrX中觀察到的互作衰減的差異斜率（圖??1b）可以通過缺乏配對的同源染色質(zhì)和更具活性的染色質(zhì)來解釋。配對的雄性chrX是一種更加靈活和活躍的染色質(zhì)，即使在長距離下也容易出現(xiàn)隨機(jī)波動和相互作用。模擬數(shù)據(jù)中的差異幅度小于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的差異，并且僅在距離更長（≥5 Mb）時(shí)才觀察到，證明僅配對不足以解釋觀察到的模式，染色質(zhì)可及性的局部變化可能有助于解釋互作分布的差異。
圖2雄性chrX中的順式互作更分散，反式互作更多
3、結(jié)構(gòu)域的局部差異
為研究劑量補(bǔ)償?shù)腸hrX是否也可能在結(jié)構(gòu)域上顯示差異，作者分析了TAD。比較結(jié)構(gòu)域邊界時(shí)，相對于常染色體，chrX中觀察到更大比例的不匹配結(jié)構(gòu)域邊界（圖??3a），這些差異的一小部分被稱為TAD邊界中的短程移動。作者開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)化的結(jié)構(gòu)域邊界調(diào)用過程，稱為本地分?jǐn)?shù)區(qū)分符（LSD）。作者將LSD應(yīng)用于Hi-C矩陣，并在chrX上確定了851個(gè)邊界，ChrX始終顯示出高比例的結(jié)構(gòu)域邊界不匹配。
圖3 不同性別的ChrX特異TAD邊界不同
4、劑量補(bǔ)償機(jī)制和絕緣子結(jié)合
作者研究DC的分子機(jī)制如何與雌性和雄性ChrX之間的結(jié)構(gòu)差異有關(guān)，將結(jié)構(gòu)域邊界之間的差異定性分類為相同（不變），出現(xiàn)（雌性不存在但在劑量補(bǔ)償?shù)男坌灾邪l(fā)現(xiàn)的邊界）或消失（在雌性中檢測到但雄性不存在的邊界）。在chrX中檢測到的851個(gè)邊界中，有377個(gè)（44.3％）邊界被標(biāo)注為相同，出現(xiàn)的邊界為174個(gè)（20.4％），消失的邊界為300個(gè)（35.3％）。作者觀察到靠近消失的結(jié)構(gòu)域邊界的MSL富集的結(jié)合位點(diǎn)，以及CLAMP（MSL結(jié)合因子）的富集。作者進(jìn)一步研究了MSL和CLAMP結(jié)合位點(diǎn)與結(jié)構(gòu)域邊界之間的距離關(guān)系，與前人的研究相似，包含BEAF和CP / CH峰的消失邊界在附近具有更多MSL和CLAMP結(jié)合位點(diǎn)。
作者又研究絕緣子結(jié)合的差異是否是雄性和雌性結(jié)構(gòu)域邊界的差異，通過全基因ChIP富集結(jié)構(gòu)域邊界包含或接近的絕緣子峰，相同和消失的結(jié)構(gòu)域邊界類別在雄性和雌性細(xì)胞上均顯示出相似的模式??，而出現(xiàn)的邊界絕緣子峰的密度更低，結(jié)果未顯示出絕緣子的結(jié)合與不同性別之間結(jié)構(gòu)域邊界的局部差異之間存在明顯的相關(guān)性。作者根據(jù)BEAF-32、CP190和Chromator的富集信號水平對結(jié)構(gòu)域邊界進(jìn)行了重新分類，觀察結(jié)果表明，三個(gè)關(guān)鍵的絕緣子（BEAF-32、CP190、Chromator）與所有染色體的遠(yuǎn)程互作網(wǎng)絡(luò)相關(guān)。chrX特異性絕緣子的差異與MSL和CLAMP的結(jié)合有關(guān)，這表明DC與局部染色質(zhì)區(qū)室化差異之間存在關(guān)聯(lián)。
圖4 結(jié)構(gòu)域邊界的變化與劑量補(bǔ)償功能有關(guān)
5、結(jié)構(gòu)域絕緣差異和染色質(zhì)可及性
為了闡明結(jié)構(gòu)域邊界處較低絕緣與DC之間的關(guān)聯(lián)，作者研究了敲除和未敲除特定DCC成分或輔因子的胚胎與雄性和雌性細(xì)胞系中染色質(zhì)的可及性。結(jié)果表明，絕緣子結(jié)合染色質(zhì)區(qū)參與長距離相互作用，顯示雄性特異性chrX隔離較低。雄性chrX通常在這些位點(diǎn)可及性更高，在這些區(qū)域附近優(yōu)先發(fā)現(xiàn)活躍的基因，并且此類基因在TSSs附近雄性的可及性高于雌性。作者的研究表明與DC相關(guān)的染色質(zhì)可及性的局部變化反映在Hi-C接觸數(shù)據(jù)中，特定區(qū)域邊界周圍的絕緣性較低。
圖5 獨(dú)立數(shù)據(jù)集顯示選定邊界的可及性更高
圖6 MSL關(guān)聯(lián)了BEAF +和CP / CH +邊界附近的CLAMP
總結(jié)
為平衡不同性別之間的轉(zhuǎn)錄輸出，雄性果蠅單個(gè)X染色體轉(zhuǎn)錄上調(diào)平均進(jìn)行兩次。之前的研究假設(shè)這一過程可能伴隨染色體結(jié)構(gòu)的整體變化，但是最近基于Hi-C的研究未能發(fā)現(xiàn)這些差異。通過利用自定義數(shù)據(jù)分析使用按性別分類的胚胎以及分析雄性和雌性細(xì)胞系上的Hi-C數(shù)據(jù)，作者研究表明染色質(zhì)全局構(gòu)象差異特別存在于雄性X染色體中，作者發(fā)現(xiàn)雄性X染色體具有更多的中/遠(yuǎn)距離相互作用。作者還確定了包含BEAF-32協(xié)同CP190或Chromator的結(jié)構(gòu)域邊界的差異，雄性X染色體中結(jié)構(gòu)域邊界減弱以及劑量補(bǔ)償復(fù)合物結(jié)合輔助因子CLAMP，可增強(qiáng)染色質(zhì)的可及性。總之，作者的數(shù)據(jù)強(qiáng)烈表明X染色體劑量補(bǔ)償會影響整體染色體結(jié)構(gòu)。
關(guān)于我們
武漢金開瑞生物工程有限公司提供的DLO Hi-C技術(shù)，是一種創(chuàng)新的染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)，此技術(shù)信噪比高，質(zhì)量控制于早期，為解析基因組三維結(jié)構(gòu)提供了一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的研究方案。
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