轉自：https://blog.csdn.net/u011262253/article/details/111691514
隨著基因組學研究的發(fā)展，由結構基因組學過渡到功能基因組學，科學家對于基因組各種元件的功能及其調控關系有了進一步的了解，為研究基因組三維結構和基因功能之間的關系提供了堅實的基礎，進而誕生了一種新的研究領域，稱之為三維基因組學，專注于研究基因組的空間結構和基因表達，調控功能的關系和影響。
一、細胞核 Nucleus
首先看下染色質的主要存儲容器——細胞核，主要看與三維基因組密切相關的三個結構：
- 核膜 Nuclear Envelope：用來包裹染色質，控制物質進出
- 核纖層 Nuclear Lamina：位于核膜的內表面的纖維網絡，支持核膜，錨定染色質，與核骨架相連，參與細胞周期解離和重建
- 核仁 Nucleolus： 主要存儲合成 rRNA，存儲裝配核糖體
二、染色質疆域 Chromosome Territory，CT
在真核生物的基因組中，細胞核內的染色質分布并不是隨機的，而是不同染色體占據(jù)不同的空間。為了跨越較大的基因組距離去互相作用，比如增強子和啟動子的互作，這些密切接觸的染色質會靠的更近，這就是染色質疆域。大概就像這樣：
我們可以使用染色體構象捕獲技術（3C，4C，Hi-C，HiChIP）來獲取到3D基因組。
在二維視角下的染色質疆域
在三維視角下的染色質疆域
目前，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域有一定的規(guī)律：
- 染色體的位置相對不變：這種相對不變會持續(xù)到有絲分裂開始。比如大型的，基因貧乏的染色體通常位于核層附近的外圍，而較小的，富含基因的染色體則更靠近核中心。
- 染色質的位置會因細胞類型不同而改變：例如，X染色體已顯示在肝細胞中比在腎細胞中更頻繁地定位在外圍
- 同源染色體在細胞間期傾向于彼此分離。
為了更方便的研究，進一步把這些互作部分劃分為：
三、染色質區(qū)室 A/B compartments
使用 Hi-C 發(fā)現(xiàn)，整個基因組被分割為兩個空間區(qū)室，分布標記為 A，B 染色質區(qū)，往往區(qū)室內互作頻繁，而區(qū)室間互作較少。
- A compartments：開放的染色質，表達活躍，基因豐富，具有較高的GC含量，包含用于主動轉錄的組蛋白標記，通常位于細胞核的內部。
-
B compartments：關閉的染色質，表達不活躍，基因缺乏，結構緊湊，含有基因沉默的組蛋白標志物，位于核的外圍。它們主要由LAD組成，包含晚期復制起點。
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在生物信息分析中，我們通過計算染色體內部互作的相關性來區(qū)分兩種不同的區(qū)室。
四、拓撲結構域 Topologically associating Domains，TAD
在染色質區(qū)室中，我們還會發(fā)現(xiàn)互相作用相對頻繁的基因組區(qū)域，這些就是拓撲結構域 TAD。一般這些區(qū)域在不同的哺乳動物的不同細胞中都很保守，并且高度富集 CTCF 和 粘附蛋白。
通過計算基因互作矩陣，我們會得到一個類似上圖的大三角形，可以看到上面有幾個深紅色的三角，代表內部高度互作域被定義為拓撲結構域，一般是400-800kb較穩(wěn)定的復制單元。
TAD 的邊界：
- 通過與上下游的互作頻率趨近于0的DI值，界定TAD邊界
- 邊界中富含絕緣子蛋白 CTCF 結合位點、活躍轉錄標記，如H3K4me3及H3K36me3
- 富含結構蛋白結合位點，與管家基因，轉運RNA基因和短間隔核元素（SINEs）相關的表觀遺傳標記。
目前研究最多的是，TAD通過限制每個TAD的增強子-啟動子相互作用來調節(jié)基因表達，但是TAD詳細功能還有待發(fā)現(xiàn)。
盡管許多蛋白質復合物，DNA 元件與TAD邊界相關，但TAD形成的基礎機制也很復雜，尚未完全闡明。
目前認可的模式是，以CTCF蛋白為核心，在黏附蛋白的幫助下，通過loop extrusion模型擠壓形成染色質環(huán)，錨定TAD邊界，為TAD的形成提供了結構基礎。此外，TAD 邊界的剛度本身可能會導致 TAD 的形成。
TAD 可細分為 sub TAD, 大約長 100kb，sub TAD之間的邊界在不同細胞組織間具有差異，與細胞特異性的增強子-啟動子互作有關。
在細菌中，這種互作結構叫做染色質互相作用域（Chromosomal Interacting Domains，CIDs）
拓撲結構域的形成
一些蛋白質目前被認為對拓撲結構域的形成有關，其中包括轉錄因子CTCF和蛋白質復合體黏連蛋白 (cohesin)。這些蛋白通過染色質免疫共沉淀測序技術被發(fā)現(xiàn)富集在拓撲結構域的邊界上。由于邊界還富集有大量常表達基因 (housekeeping gene) 和轉運 RNA (tRNA) 基因，一種理論認為活躍的轉錄與拓撲結構域的形成有關。
五、層關聯(lián)域 Lamina Associating Domains，LAD
LAD約占基因組的40％，大小介于40kb至30Mb之間，基因較少。 LAD主要由轉錄沉默染色質組成，富含組蛋白H3K27me3 ，這是異染色質的常見翻譯后組蛋白修飾。
結構性 LAD，constitutive LAD，cLAD：富含AT的異染色質區(qū)域，靠近在核纖層上，這些區(qū)域對染色體之間的結構形成至關重要。
兼性 LAD， facultative LAD，fLAD：具有不同的核纖層相互作用，在不同細胞中包含不同的被激活或抑制基因，從而導致不同的細胞類型。
六、核仁關聯(lián)域 Nucleolar Associating Domains，NAD
NAD占基因組的4％，幾乎具有與LAD相同的所有物理特征。通過對LAD和NAD的序列分析發(fā)現(xiàn)，某些區(qū)域可能在核纖層和核仁間切換。
七、染色質環(huán) Chromatin loops
染色質在空間中形成環(huán)狀結構，因此相距很遠的染色質區(qū)域也可以在三維空間中聚集在一起。 染色質環(huán)(loop)結構與調控因子緊密關聯(lián)，直接對基因表達進行調控。
據(jù)推測大約50％的人類基因通過染色質環(huán)化過程參與長距離的染色質相互作用。我們可以基于基因互作矩陣，來查看互作頻率相對周圍較強的區(qū)域，在下圖中用藍色圓圈標記，這些位置就是為染色質環(huán)區(qū)域。
這種結構可以使在線性距離很遠的元件得以相遇，以此來調控生命活動，比如，從空間上拉近啟動子和增強子的距離，促使基因的轉錄起始。
分子生物學一個經典的啟動子增強子模型，普遍認為enhancer會募集很多轉錄因子以及轉錄輔助因子結合到啟動子區(qū)域形成一個環(huán)狀結構（loop）來調控基因的表達。
針對這一挑戰(zhàn)，中南大學計算機學院生物信息學團隊研發(fā)了基于多組學數(shù)據(jù)集成學習的LoopPredictor方法，采用H3K27ac組蛋白以及YY1因子作為靶向基因的HiChIP數(shù)據(jù)來訓練模型，通過集成不同細胞類型的loop數(shù)據(jù)集，以及多組學（基因組、轉錄組、表觀遺傳組等）特征數(shù)據(jù)，LoopPredictor能夠有效地識別具有細胞特異性的增強子介導的loop結構。與HiChIP實驗生成的H3K27ac-HiChIP數(shù)據(jù)相比，LoopPredictor能夠識別更多的具有調控功能的loop。
此外，通過將小鼠的多組學特征輸入到基于人類數(shù)據(jù)訓練的模型中，預測出的增強子介導的loop結構高度保守，進一步表明LoopPredictor具有較高的跨物種預測能力。LoopPredictor的提出對進一步解釋染色質相互作用對基因表達的影響，以及致病基因的作用機制有著重要意義。
