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寫在前面—— 什么是三維構(gòu)象？

大家比較熟悉蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)，高級(jí)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的功能。對(duì)于染色體來說，也是同樣的道理。目前基因組測(cè)序獲取了大量物種的染色體的一級(jí)結(jié)構(gòu)（通俗講DNA序列），對(duì)于基因功能研究起到了重要的作用，但染色體的高級(jí)結(jié)構(gòu)（3D結(jié)構(gòu)）對(duì)于基因功能研究也是不可或缺的。下面小編介紹一講3D結(jié)構(gòu)，首先得講Hi-C技術(shù)。Hi-C技術(shù)主要將空間結(jié)構(gòu)臨近的DNA片段進(jìn)行交聯(lián)，下染色體3D結(jié)構(gòu)是啥模樣。

并將交聯(lián)的DNA片段富集，然后進(jìn)行高通量測(cè)序，對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可揭示全基因組范圍內(nèi)的染色體片段間的交互作用。利用Hi-C技術(shù)可以揭示基因組的三維結(jié)構(gòu)基本特征，包括從隔室（A/B　Compartments，）到拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）,最后再到環(huán)（loop）的染色質(zhì)的這種層級(jí)結(jié),從而闡明染色體三維結(jié)構(gòu)。

目前在植物中，染色質(zhì)相互作用尚未被廣泛研究。在擬南芥中，3D基因組結(jié)構(gòu)的全基因組分析揭示了染色質(zhì)相互作用和表觀修飾基的相關(guān)性，但在擬南芥中未鑒定到明顯的與哺乳動(dòng)物類似的TAD結(jié)構(gòu)。但在擬南芥中，具有數(shù)百個(gè)TAD-like結(jié)構(gòu)。隨后在擬南芥單基因高分辨率的Hi-C圖譜中分析揭示了基因Loop的結(jié)構(gòu)，推測(cè)這可能是擬南芥中的基因組折疊的一個(gè)主要特征。水稻3D基因組分析，鑒定了1,763個(gè)TAD結(jié)構(gòu)。

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最近華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在Nature Plants發(fā)文闡述了棉花基因組的三維結(jié)構(gòu)及其多倍化過程中三維結(jié)構(gòu)的變化。下面小編詳細(xì)解讀一下

1 摘要

多倍體的形成顯著增加了轉(zhuǎn)錄調(diào)控的復(fù)雜性，這可能與染色體的三維（3D）結(jié)構(gòu)有關(guān)。但目前，關(guān)于多倍體化過程中三維基因組的結(jié)構(gòu)及其亞基因組發(fā)生的變化研究仍然較少。作者因此在本文中描述了二倍體和四倍體棉花的3D基因組體的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)A / B隔室和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TADs）的存在。通過比較四倍體中的每個(gè)亞基因組與其二倍體祖先基因組的三維結(jié)構(gòu)，作者發(fā)現(xiàn)了基因組多倍化過程中發(fā)生了A / B隔室的切換和兩個(gè)亞基因組中的TAD的重組。同時(shí)作者研究還表明，在多倍化過程中TAD邊界的形成主要發(fā)生在開放染色質(zhì)中，這與活性染色質(zhì)表觀遺傳修飾標(biāo)記相一致。此外，對(duì)亞基因組間染色質(zhì)相互作用的結(jié)果分析表明了了同源基因的空間鄰近性，可能與其協(xié)調(diào)表達(dá)有關(guān)。這項(xiàng)研究提高了對(duì)植物染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的理解，將為3D基因組進(jìn)化與轉(zhuǎn)錄調(diào)控之間的關(guān)系提供新的視角。

2 測(cè)序材料

１．三個(gè)棉種：雷蒙德氏棉，亞洲棉和海島棉的葉片（分析中陸地棉來源公共數(shù)據(jù)）
２．測(cè)序平臺(tái)：Illumina HiSeq 3000，PE150,兩個(gè)生物學(xué)重復(fù)
３．各組學(xué)測(cè)序數(shù)據(jù)量：

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單位Gb;

3 長距離交互片段鑒定(Loop)

在雷蒙德氏棉，亞洲棉，海島棉中分別鑒定了 38,713, 16,921 和 51,475個(gè)基因間區(qū)的DNAase I 敏感位點(diǎn)(DHSs)，這些位點(diǎn)通過Hi-C鑒定的相互作用片段與增強(qiáng)子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，總共在亞洲棉中獲得了13,418個(gè)推測(cè)的增強(qiáng)子， 雷蒙德氏棉中10,358 個(gè)推測(cè)的增強(qiáng)子，海島棉中 23,256個(gè)推測(cè)的增強(qiáng)子。

在鑒定的增強(qiáng)子中 22.6% 參與了單一的交互，77.4% 的增強(qiáng)子參與了多個(gè)交互作用, 暗示了大多數(shù)增強(qiáng)子可能調(diào)控多個(gè)基因。通過RNA-seq 分析， 鑒定到了 3,879個(gè)增強(qiáng)子有轉(zhuǎn)錄活性，增強(qiáng)子作用的RNA中有43.8% 是長鏈非編碼 RNAs，這可能暗示長鏈非編碼RNA的在維持基因組三維結(jié)構(gòu)潛在的功能。

4A/B　compartment 分析

分析鑒定了54.2%的亞洲棉基因組，52.9%和52.4% 的陸地棉和海島棉At亞基因組屬于 A compartments，比例高于雷蒙德氏棉(45.1%) ，陸地棉D(zhuǎn)t亞基因組（45.5% ）和海島棉D(zhuǎn)t亞基因組（45.2%）;染色體臂相比于著絲粒區(qū)域更加傾向于 ( 69% Vs 20%)分布在與開放染色質(zhì)關(guān)聯(lián)的Ａcompartment (圖1), 著絲粒區(qū)域更加傾向于分布在 B compartments；A compartments區(qū)域基因轉(zhuǎn)錄活性顯著高于B compartments (圖 2a).

Fig. 1 不同棉種的染色體交互作用圖

5 TAD鑒定

范圍：300 kb–2Mb，鑒定個(gè)數(shù)亞洲棉1,343個(gè)，雷蒙德氏棉為913個(gè)，海島棉At為1,331個(gè)，海島棉D(zhuǎn)t為852個(gè)。TAD的邊界傾向于分布于轉(zhuǎn)錄活躍的基因(Fig. 2b)，暗示了TAD的形成與基因轉(zhuǎn)錄之間的存在關(guān)聯(lián)。

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6 A/B　compartment 轉(zhuǎn)換

二倍體棉花與四倍體棉花之間的差異分析表明，二倍體和四倍體亞基因組之間的差異大于兩個(gè)四倍體之間的差異（圖3a，b）。A/B　compartment比較分析，相比于二倍體亞洲棉，在陸地棉和海島棉中分別鑒定了50.6Mb和52.5Mb基因組的區(qū)域存在A到B的轉(zhuǎn)換，而存在27.1Mb和27.8Mb的基因組區(qū)域存在Ｂ到Ａ的轉(zhuǎn)換（圖4a）。在Dt亞基因組中，通過與雷蒙德氏棉比較，在陸地棉和海島棉中分別僅鑒定到了4.9Mb和5.6Mb的基因組區(qū)域存在A到B隔室的切換，6.5Mb和7.9Mb的B到A的轉(zhuǎn)換（圖4a）。這些結(jié)果表明，在多倍化的過程中，compartments傾向于A到B的轉(zhuǎn)換（由常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)）；同時(shí)相對(duì)于祖先基因組，亞基因組發(fā)生不同程度的compartment的轉(zhuǎn)換，At亞基因組轉(zhuǎn)換明顯高于Dt。

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7 TAD邊界與保守性分析

在TAD 水平, 比較了保守的TAD邊界和非保守的TAD的邊界基因表達(dá)的差異。 非保守的 TAD 邊界中基因傾向于存在差異表達(dá)( P<0.01). 在兩個(gè)亞基因組中總共鑒定了1,329個(gè)差異基因。

棉花TAD邊界的表觀遺傳修飾，以及探討多倍化形成過程中的影響機(jī)制。通過分析發(fā)現(xiàn)每個(gè)棉花的TAD邊界都具有高水平的DNase I敏感性（圖5），表明TAD的邊界是富含開放的染色質(zhì)。染色質(zhì)修飾使用三個(gè)染色質(zhì)標(biāo)記的ChIP-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究（圖5）。發(fā)現(xiàn)TAD的邊界富含豐富的H3K4me3（活性染色質(zhì)標(biāo)記），缺少H3K9me2（異染色質(zhì)表觀遺傳標(biāo)記）。值得注意的是，H3K27me3（無活性染色質(zhì)標(biāo)記）在任何棉花種質(zhì)中的TAD邊界富集。此外，TAD邊界周圍的DNA甲基化（CG，CHG和CHH）分析表明，TAD邊界的DNA序列CG和CHG甲基化水平較低，CHH甲基化在TAD內(nèi)部與之間無顯著差異（補(bǔ)充圖6）。這些表觀遺傳修飾有助于在TAD邊界上富集活性基因（圖2b），表明活躍的轉(zhuǎn)錄可能有助于形成的TAD邊界。

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比較它們?cè)诒Ｊ豑AD邊界和非保守的TAD邊界中的分布。使用二倍體的TAD邊界作為參考，發(fā)現(xiàn)在四倍體棉種中的At和Dt亞基因組保守的TAD邊界比非保守的邊界顯著富集DNase I的超敏感性信號(hào)（圖5）。在H3K4me3表觀遺傳標(biāo)記中觀察到類似的分布模式。 H3K9me2在保守邊界的信號(hào)低于非保守的邊界。但H3K27me3的水平在在保守與非保守的TAD邊界沒有顯著差異（圖5）。除此之外，發(fā)現(xiàn)CG和CHG甲基化水平在保守的TAD邊界上低于非保守的TAD邊界（補(bǔ)充圖6）。這進(jìn)一步說明了在棉花多倍化過程中TAD形成和的基因組表觀修飾存在關(guān)聯(lián)。

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8 同源基因的相互作用分析

At和Dt亞基因組如何在亞基因組水平上相互作用？為了調(diào)查這個(gè)現(xiàn)象，在陸地棉中確定了總共22,738個(gè)染色體間相互作用，在海島棉中確定了21,749個(gè)相互作用。發(fā)現(xiàn)了亞基因組間的相互作用占據(jù)了大約四倍體棉花中所有這些相互作用的一半（陸地棉45.5％，海島棉47.1％）。At亞基因組中染色體間相互作用的比例（At-At）高于Dt亞基因組（Dt-Dt），可能是由于At亞基因組大比Dt亞基因組大的原因。

亞基因組間普遍的相互作用，暗示了其可能對(duì)同源基因（每個(gè)亞基因組分布為1：1）的轉(zhuǎn)錄調(diào)控產(chǎn)生影響。通過與15,456個(gè)同源基因?qū)Ψ治?，在陸地棉確定了3,339（21.6％）對(duì)基因存在相互作用，在海島棉中發(fā)現(xiàn)了2,784對(duì)（18.0％）基因存在相互作用。通過RNAseq分析，發(fā)現(xiàn)有些高表達(dá)基因偏向于具有弱的染色質(zhì)交互作用（補(bǔ)充圖7b）。存在表達(dá)偏好（２倍）的基因在陸地棉中有25.9％，海島棉有27.2％具有染色質(zhì)相互作用。這些數(shù)據(jù)為揭示了多倍體中同源基因的協(xié)調(diào)表達(dá)一個(gè)新機(jī)制。

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小編總結(jié)
本文通過雷蒙德氏棉（DD）和亞洲棉（AA）以及四倍體栽培種海島棉（AADD）進(jìn)行Hi-C測(cè)序，解釋了棉四倍化過程中的三維構(gòu)象變化。Hi-C技術(shù)現(xiàn)在的應(yīng)用方向主要在兩個(gè)方向，一是基因組染色體掛載，是二染色體互作（三維構(gòu)象）。

參考文獻(xiàn)
Maojun Wang etal. Evolutionary dynamics of 3D genome architecture following polyploidization in cotton[J].Nature Plants,2018