三維基因組學近年來的研究進展

顧京晶

（1.湖南農業(yè)大學 動物科技學院 410128；2.禽畜遺傳改良湖南省重點實驗室 410128）

生物功能基因組研究中的核心問題在于：如何在整體水平上解析基因與調控元件間、基因與基因間的互作，進而了解生物在生命活動中涉及的基因復雜調控機制。在真核生物的細胞核內，染色體遵循一定規(guī)律進行三維折疊，基因的表達、調控，以及基因調控元件間的相互作用都基于復雜的染色體3D結構。Bickmore和van Steensel在2013年的研究表明，染色體在分裂間期的細胞核內存在長片段的核染色質區(qū)間（包括異染色質和常染色質）和染色質疆域，同時存在短片段的增強子——啟動子連接區(qū)域，這些染色質三維結構對細胞正常的基因表達和調控有重要影響[1]。啟動子不但與鄰近調控元件結合，而且與調控元件借助染色體三維結構存在長距離遠程調控機制。例如：Fullwood等人于2009發(fā)現在人乳腺癌細胞系MCF7中存在大量遠程調控元件參與乳腺癌關聯(lián)基因的調控。Li等人于2012年在對多類癌癥細胞系的研究后發(fā)現，大量的啟動子與啟動子的遠程相互作用、基因的共調控，是通過形成特定的染色質拓撲結構來進行的，因此原本線性距離非常遠的調控因子可以通過染色質折疊結構，達到空間上的近距離接觸。眾多科學家們基于一系列染色質構象捕獲研究，發(fā)現了多種染色質的交互作用類型和染色質結構特征，其中包括啟動子與啟動子、增強子與啟動子的交互作用、染色質區(qū)隔、染色質拓撲異構域、染色質環(huán)狀結構。這些研究成果表明，基于染色質三維構象的基因調控機制的認識正在不斷深入，三維基因組時代即將到來。迄今為止，對于三維基因組的研究主要集中在人類的正常以及癌細胞株、小鼠細胞株、酵母、果蠅、擬南芥和棉花中。

下面將從熒光原位雜交技術到Hi-C技術探討三維基因學研究所采用的技術手段?？茖W家們對染色質的結構關注由來已久，從十九世紀開始到本世紀初，研究者以顯微鏡結合熒光原位雜交技術，對細胞核中染色質上單個位點的空間結構進行了觀察研究，但這一階段研究受限于當時的實驗技術，只能大略對染色質結構做低分辨率解讀。隨著基因組研究的不斷深入和實驗技術的提高，Dekker等人在2002年對酵母的染色質構象進行了研究，提出了稱為染色質構象捕獲（Capturing Chromosome Conformation,3C）的新技術。3C技術的要點為：在完整細胞狀態(tài)下，利用甲醛對DNA分子進行原位固定，將交聯(lián)的蛋白質和DNA分子固定下來，然后對染色質片段進行限制性內切酶酶切和臨位連接，獲得包含所有連接產物的DNA片段文庫，運用獲得的片段數據計算出不同位點在染色質上的交互頻率，從而推測出位點之間的空間距離，進而繪制出染色質的三維空間構象交互圖譜。此后，科學家們在研究兩個或少數幾個位點之間的3C技術基礎上開發(fā)出了一系列衍生技術，如特定位點對多位點的4C（Circularized Chromosome Conformation Capture，4C），多位點對多位 點 的 5C（Carbon-Copy Chromosome Conformation Capture，5C），兩個或少數幾個位點之間的ChIP-3C，全基因組層面一個特定蛋白介導的所有位點對所有的ChIA-PET和全基因組層面所有位點對所有的Hi-C技術。在這些技術中，ChIA-PET和Hi-C技術都可以通過二代高通量測序技術獲得海量數據，從而建立高分辨率染色質構象圖譜。與ChIA-PET有所區(qū)別的是，Hi-C可以無偏差的在全基因組范圍捕捉到所有染色質交互信息，在現階段已經可得到最精細分辨率為1kb的染色質構象圖譜（由Rao等人在2014基于人淋巴母細胞系研究）[2]。Hi-C技術作為目前為止可無偏差解析全基因組范圍內染色質空間構象的最有效方法，將有助于了解基因組的三維結構，推動功能基因組學研究。