基因谷

来自雪球发布于06-03 09:14

三维基因组学是以研究真核生物核内染色质空间构象及其对不同基因转录调控的生物学效应为主要研究内容的一个新学科方向。现有基于高通量测序的三维基因组检测技术，以Hi-C为例，均以二阶为主，即一次只能检测，两个基因组位点的空间互作，而高阶（即两个以上的基因组位点）空间互作情况也非常常见，而且这类高阶互作对于基因调控的作用尚不明确。

2022年5月30日，来自威尔康奈尔医学院的Marcin Imieliński团队在国际知名期刊Nature Biotechnology（IF=54.9）发表了基于纳米孔测序的高阶三维基因组检测技术 Pore-C，该技术将染色质构象捕获与连接体的纳米孔测序相结合，以在基因组尺度上分析近端高阶染色质接触。同时作者还开发了统计方法Chromunity来识别基因组位点的集合。

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Nature 3D基因组专刊：网页链接

主要结果：

1 Pore-C工作流程及性能比较

Pore-C的工作流程和传统的三维基因组检测技术的实验流程比较相近，都有交联、原位消化、邻近互作序列连接、反向交联、DNA纯化和测序等步骤，主要的差别在于对于同一基因组位点Pore-C可以获得更多的互作序列进行交联测序，也就是高阶三维基因组互作检测，突破以往仅限于二阶（Hi-C）或三阶（SPRITE）的限制，在图1f中，现有的高阶三维基因组技术SPRITE主要的数据为1阶和2阶，以及少量的3阶数据，高阶（三阶及以上）的数据比例为11.69%，而Pore-C则达到了78.59%，远远高于SPRITE。

图1 Pore-C的工作流程及构建三维互作图谱的效果

在和Hi-C数据进行互作数据比较时发现（图1b-d），在A/B隔间、TAD等互作频率以及边界鉴定上，Pore-C均展示出了和Hi-C相当的效果甚至更好。同时也对比了Hi-C、Pore-C和SPRITE在不同分辨率上的效果，结果显示Hi-C和Pore-C效果相当。

2   Chromunity算法揭示特定位点之间的协同作用

然后作者将Pore-C技术和对应的Chromunity算法应用于人类细胞系的三维基因组研究，发现活性染色质中的增强子和启动子以及高度转录和谱系定义的基因中的协同作用是显著相关的，并总结出Syndey模型（图2）。同时发现高表达基因的高阶接触位点相比于低阶接触位点是有被去甲基化的区室。

图2  Chromunity协同算法通过高阶互作数据揭示了增强子和启动子之间相互作用的协同相关性

3 增强子协同作用导致复杂乳腺癌Tyfonas结构变异

Tyfonas是最近发现的一类包含高拷贝数重排跨染色体的复杂结构变异。作者对乳腺癌细胞系HCC1954在PromethION芯片上进行Pore-C建库测序，对其全基因组范围内的启动子和增强子进行Chromunity分析，发现了5类跨过大部分Tyfona的变异的协同作用（图3a）。作者推测，可能由于是协同作用导致了直接的基因结构改变，然后作者进行单倍型序列分析和FISH验证（图3b-d），得出结论，观察到的增强子协同空间互作是这种复杂、放大和重新排列的等位基因变化的直接结果。

图3 和负责癌症变异相关的协同作用

总结讨论：

1、Pore-C是获得高阶三维基因组互作信息的理想技术，包括从近端（

2、Pore-C首次报导了哺乳动物基因组近端（

3、这些发现证实了长期以来关于哺乳动物基因调节协作的生物学猜测。之前关于基因调控合作性的研究一直侧重于特定基因转录因子富集的动力学，无论是在相分离转录凝析物的范围内外。未来的一个关键问题是，Pore-C检测到的增强子协同作用是否与相分离或增强子、启动子和转录因子之间的其他合作模式有关。

4、作者对非整倍体癌细胞系HCC1954的Pore-C数据分析表明，重新排列和放大的体细胞等位基因可以产生实质性的协同作用。作者对乳腺癌tyfonas基因座的分析凸显出了新的概念和分析的挑战，即了解哪些协同作用通过重排引起偏离，哪些协同作用反映了重排引起的新的转录合作。虽然现在已经有基于Hi-C互作来预测简单的重排，但在高度重排和复制数量更改的基因组中预测由新的和功能性的结构变异（SV）诱导的高阶相互作用可能需要额外的算法开发。将此类模型应用于恶性细胞的联合长读长测序和Pore-Cshu数据分析可能有助于识别新的和反复出现的非编码SV癌症驱动因素，这可能与晚期和耐治疗癌症的生物学特别相关。

参考文献：

Aditya et al., Identifying synergistic high-order 3D chromatin conformations from genome-scale nanopore concatemer sequencing. Nature Biotechnoloy. 2022.