基因組的三維結構

　　摘要： 闡明染色質復雜結構的技術有染色質構象捕獲(chromatin conformation capture, 3C)及更高通量的衍生技術4C、5C，這些提供了長距離的染色質相互作用，但不能擴展到整個染色質相互反應組。在2009年末，兩種新方法的迸發，有望繪出全基因組范圍的相互作用圖譜。

　　如果將人的所有染色體相連并充分伸展的話，其長度可達2米左右，如此龐大的DNA鏈要全部儲存在直徑約10微米的細胞核中。此外，基因及其調控元件需要交流，染色質必須打開，允許轉錄和復制。因此，人們常常提出這樣的疑問：“基因的線性順序與空間排布如何關聯?”“基因如何被遙遠的元件所調控?”。

　　闡明染色質復雜結構的技術有染色質構象捕獲(chromatin conformation capture, 3C)及更高通量的衍生技術4C、5C，這些提供了長距離的染色質相互作用，但不能擴展到整個染色質相互反應組。在2009年末，兩種新方法的迸發，有望繪出全基因組范圍的相互作用圖譜。

　　馬薩諸塞大學的Job Dekker和Broad研究院的Eric Lander開發出了Hi-C技術，能捕獲全基因組范圍的相互作用1。Hi-C是一種3C衍生技術，基于交聯DNA與生物素linker的鄰近連接，能夠拉下(pull down)片段，接著進行高通量測序。從800萬個讀取對中，研究人員產生了基因組范圍的接觸模型，分辨率在1 MB。

　　Dekker認為Hi-C的難度不在染色質捕獲本身，而在于數據的闡釋。“數據中存在明顯的聚合物特征，它們確定了背景。”他推測，如果想以1 KB的分辨率查看染色體的三維結構，還需要數億個讀取。

　　研究人員還發現了出人意料的結果：染色質并非類似于緊湊、多節的結構，而是一種無節的緊密壓縮構象，有活性和無活性的染色質結構域折疊成兩個空間各異的區室。

　　一個月后，新加坡基因組研究院的Yijun Ruan和Edwin Cheung在《nature》上發表了另一項重要技術CHIA-PET 2。它是對讀雙標簽(PET)測序與染色質免疫沉淀(ChIP)的結合，在堿基對的分辨率解析了蛋白介導的功能相互作用。

　　研究人員用II型限制性內切酶將免疫沉淀的DNA片段與條形碼linker連接，產生了PET，然后對染色質相互作用(ChIA)的PET進行高通量測序，生成了轉錄因子依賴的相互作用圖譜。

　　對于Ruan而言，數據闡釋中的最大問題在于如何處理噪音。“噪音來自兩個水平，生物和技術。”生物噪音是由染色質的動態性質引起的，因為它一直在移動，在任一指定時間點許多相互作用都是無意義的。Ruan的理論是有意義的相互作用更強，因此能承受更劇烈的片段化方法。技術上的噪音則來自鄰近連接步驟。為了控制這種嵌合體的形成，研究小組將染色質材料均分成兩等份，隨后加入帶有不同條形碼的linker，在連接之前再次混勻。嵌合體將在同一個PET上帶有不同的linker，隨后被排除。

　　Hi-C和ChIA-PET從兩個不同的方向靠近染色質相互作用組，一個提供了染色質如何在核中折疊的鳥瞰，另一個觀察了特定蛋白對基因組結構的影響。為了增加它們的影響力，提供更為精細的染色質相互作用組圖譜，兩種方法都將向中心靠攏。更高的測序能力以及新的分析方法將增加Hi-C的分辨率，最終達到1 KB的分辨率。ChIA-PET在更多蛋白如聚合酶上的應用，將鑒定出參與轉錄等過程的所有染色質相互作用。

　　疊加Hi-C圖譜和ChIA-PET圖譜，以及現有的注釋，將有助于了解三維空間的基因調控。

　　參考文獻：

　　1. Lieberman-Aiden, E. et al. Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome. Science 326, 289?293 (2009).

　　2. Fullwood, M.J. et al. An oestrogen-receptor-α-bound human chromatin interactome. Nature 462, 58?64 (2009).