高大上的生信技能：染色質構象捕獲

高中我們就知道DNA結構包括一級的鹼基排列、二級的雙螺旋結構、三級的超螺旋結構。那您知道什麼叫染色質構象嗎？您知道染色質構象的功能嗎？您知道如何解讀染色質構象嗎？

一

染色質構象概念

DNA一級結構除了A、T、C、G四種鹼基構成的序列，還能發現轉錄因子結合位點、甲基化位點、組蛋白修飾位點以及變異位點等生物學信息。二級結構主要指的是local nucleosome–nucleosome interactions，即整合組蛋白修飾等一級結構和結合DNA的蛋白去調控DNA的可接近性、染色質壓縮和染色質纖維的物理性質等生物學過程。而三級結構是指遠程3D染色質互作和構造，其主要意義在於挖掘維持機體正常活動的基因受到哪些基因功能元件的調控，比如enhancer。總的來說就是染色質構象（圖1），這種架構在基因的轉錄、調控中起著非常重要的作用。

圖1 染色質結構示意圖

二

基因功能元件互作

生物體有各種基因功能元件，包括順式作用元件（cis-acting element）和反式作用元件（trans-acting element），順式作用元件包括啟動子、增強子等。啟動子一般位於結構基因5 端上游，是RNA聚合酶特異性識別和結合的一段DNA序列，與結構基因物理距離很近，通常與轉錄因子結合來調控結構基因的表達。而增強子是增加同它連鎖的基因轉錄頻率的DNA序列，其在基因組上的定位多變，可能位於基因的5』端，也可位於基因的3』端，有的還位於基因的內含子中，甚至遠離靶基因高達幾千kb也仍有增強作用。那麼問題來了，增強子離靶基因那麼遠，它是怎麼起到調控作用的？據研究發現，像增強子這種遠距離元件主要是通過染色質壓縮等高級結構的形成導致與靶基因空間距離的靠近而起到調控作用的，如下圖的A和C，在物理距離相聚較遠，但是線條的摺疊反而給A和C營造了互作的機會，是不是很神奇呢（圖2）。

圖2 基因功能元件互作示意圖

三

染色質構象捕獲技術

在研究基因元件互作時，生物學領域有一個專有名詞叫「染色質構象捕獲技術」。從2002年Deker提出3C，隨著研究水平的提升和測序成本的降低，後續逐漸衍生出4C、5C、CHIA-PET、Hi-C、Capture Hi-C等技術。

圖3 染色質構象捕獲技術流程圖

這些技術在前期樣本互作狀態固定所採用的方法一致，只是後續根據研究精度的需求涉及酶切、環化等不同處理（圖3），具體功能表現如下表：

表1 常用染色質構象捕獲技術

四

互作矩陣展示

縱觀各種染色質構象捕獲技術所採用的分析方法，萬變不離其宗，均是繪製觀測互作矩陣（observed interaction matrix），即對最終有效的contacts（下機數據質控後，剩下合格的每一個read pair即為一個相互contact）按照一定的解析度進行統計後的互作矩陣（圖4）。總的趨勢是線性距離近的染色質之間有更強的交互作用，線性距離遠的染色質之間交互作用弱。在熱圖中，強的交互作用由深紅色表示，弱的交互作用由淺紅色表示。

圖4 10kb解析度下的互作圖譜

嗯，圖是挺好看的，好多小三角形，這是在玩七巧板嗎？作為生信小白的我，表示理解有限。很多人是不是和小編一樣直接歇菜，哭暈在廁所……

現在，生信大神教您解讀互作矩陣這座「金字塔」。例如，A、B、C genes位於同一條染色體上（圖2），假設A、B、C三者之間彼此存在互作，把互作的兩個基因連線形成一個等腰三角形，在三角形頂角用顏色深淺來表示互作的強弱，然後根據統計的支持A和B互作、A和C互作的contacts數多於支持B和C互作的contacts數，我們就將A和B、A和C三角形頂角塗成深紅色，而B和C塗成粉色。如果增加染色體上的基因數目，10個、20個……100個，那麼這些三角形就會越來越多，密集排布後就會出現圖4的互作矩陣圖了。這樣理解起來是不是很簡單呢！

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動物業務線 羅 文丨文案

王 迪丨編輯

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