Nature：新技術探尋細胞周期動力學中的染色體結構

在每一個細胞周期中，增殖期胞內的染色體發生明顯的結構變形：高度濃縮的有絲分裂結構之間的交流促進染色體分離，解聚的細胞間期結構適應轉錄、基因沉默和DNA複製。這種變形困擾了顯微學家達一個世紀之久。雖然間期基因組的結構和組織原則一直是熱門的研究主題，但在基因水平、高解析度的染色體細胞周期研究上，尤其是利用Hi-C（高解析度染色體構象捕獲highresolution chromosome conformation capture）還受到現有技術限制。近日，劍橋大學Babraham研究所於Nature發表文章Cell-cycle dynamics of chromosomal organization at single-cell resolution，將Hi-C技術與流式細胞分選相結合，揭示了一個連續的細胞周期中動態染色體的結構特點，並為Hi-C圖的解釋提供了一個新的參考。

創新

研究人員重新設計原始的單細胞Hi-C方法，使用三位點的限制性內切酶、Tn5轉座tagmentation[注]、流式細胞分選單細胞於96孔培養板和部分自動化的文庫製備。

利用G1單倍體細胞數據，研究人員建立了一種推斷全基因組三維構象的結構抽樣方法。採用嚴格的接觸過濾去除作為輔助，從每個細胞去除的中位數0.89%的觸點。我們採用模擬退火方法來從超過30000個全基因組的三維模型中取出190份單細胞的數據集，使用接觸的距離限制在0.1，0.5和1 MB的解析度。由此產生的3D模型在平均每細胞低於0.012%的誤差下滿足幾乎所有觀察到的順式和反式染色體的接觸點。每細胞採樣10000接觸點保證了子模型的穩定性和魯棒性。

注 tagmentation：以「transposome」為基礎的快速技術，能夠在對DNA進行片段化的同時添加標籤，該過程被稱為tagmentation。

原理&結果

本文作者使用單細胞Hi-C（高分辨染色體構象捕獲）對成千上萬的單個細胞染色體進行構象分析，發現一個可沿細胞周期精細定位單個細胞的連續的順式相互作用輪廓。同時，本文表明了染色體「隔間」——拓撲關聯域（TADs），與大型Hi-C圖定義的孤立環和大環相連，由不同的細胞周期動力學掌控。特別是，DNA複製與隔間的形成及拓撲關聯域獨立性的降低密切相關，而環在G1-S期和G2期是穩定的。全基因組的三維結構模型揭示了一個含不同的表觀基因簽名的徑向結構。因此，單細胞數據可以通過細胞周期重新解釋染色體構象圖。

Cell-cycle dynamics of chromosomal organization at single-cell resolution

doi:10.1038/nature23001

提取碼：u2cu

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