2018年动态3D基因组分析技术创新

日期: 2018年01月18日


    

导读:探索基因组三维结构的许多方法都是相同的原理,即针对线性空间中彼此远离,但在3D结构中靠得很近的基因组区域进行分离和测序。这些方法包括检测全基因组相互作用的方法;围绕特定的基因座的方法;通过富集与某种特定蛋白相互作用的基因组位点的方法,还有最近的Hi-ChIP 和无连接方法。赛业小编为您推荐“2018年动态3D基因组分析技术创新”,详情如下:


——结合成像和测序的三维基因组分析


探索基因组三维结构的许多方法都是相同的原理,即针对线性空间中彼此远离,但在3D结构中靠得很近的基因组区域进行分离和测序。这些方法包括检测全基因组相互作用的方法,例如Hi-C;围绕特定的基因座的方法,如3C和4C;通过富集与某种特定蛋白相互作用的基因组位点的方法,如ChIA-PET,还有最近的Hi-ChIP (Nat. Methods 13, 919–922, 2016,具体见后),以上这些都是依赖于相互作用位点之间的交联,还有一种方法是2017年报道的无连接方法:基因组结构图谱(Nature 543,519-524,2017,具体见后)。


所有这些方法中,基于测序的接触频次转换成了接触图谱,这为了解染色质的结构提出了重要的见解。然而,严格来说分子水平上的readout并不能直观地显示出序列的相互作用,更不用说遵循活细胞中的染色质动力学了。


而且用于验证3C方法的成像技术(如荧光原位杂交FISH)并不总是精确的,如果能通过3C方法来确定接触频次,通过FISH来观察空间距离,就能检测到基因组组织的不同方面。此外,FISH成像要比3C检测到相互作用少一个数量级,因此会忽略了罕见事件。协调这些数据,获得统一的染色体模型是一个重要的挑战(Nat.Methods 14,673-678,2017)。


注:染色体构象捕获(Chromosome conformation capture, 3C)技术需要需要消化固定细胞中的染色质,然后进行切断后DNA的再连接,这样一来,就能将空间接近的序列片段聚拢在一起,即使它们的序列距离很远。之后通过分析这些连接处的特征,比如通过测序,就能获得一张详细的染色质互作图谱了。


最近的一项技术可能超越了静态FISH成像:基于CRISPR,用于观察活细胞中染色质动力学的的新方法(例如,Nat.Commun.8,14725,2017,具体见后)。这些方法目前在很大程度上只限于研究重复区域,但随着技术的发展,也许它们将能延伸到多个独特的非重复性基因位点研究。


以上每种方法都为基因组的研究带来了重要的信息,整合所有的数据可能就会得到最好的答案。研究人员希望获得实时交互区域的高分辨率视图,同时了解这些区域的序列,这非常重要,因为目前操控基因组结构的研究取得了一些进展(例如,Nat.Commun.8,15993,2017)。结合分子和成像的数据,将能为理解野生型或改变后的基因组结构对生物过程的影响。


HiChIP新技术


斯坦福大学的研究团队九月十九日在Nature Methods杂志上发表文章,为人们提供了一种灵敏高效的新技术——HiChIP。


HiChIP是一种以蛋白为中心的染色质构象分析方法。这种方法将染色体构象捕获与基于免疫沉淀和tagmentation的文库制备结合起来,能够揭示围绕目的蛋白的3D染色质结构。研究显示,与ChIA-PET(基于配对末端标签测序的染色质交互作用分析)相比HiChIP提供的构象信息多十倍,所需的样本量少一百倍。研究人员针对黏连蛋白进行HiChIP分析,揭示了多层次的基因组结构,获得了高于原位Hi-C(高分辨率染色体构象俘获)的信噪比。


GAM新技术


基因经激活后产生RNA和蛋白,然后当这些分子不再需要时,就会再次被关闭。基因和它的调节区域都是DNA序列,它们可能在线性的基因组中相隔较远的距离。这就给细胞带来挑战,这是因为这些区域通常需要接触才能够激活基因。


它也给试图理解生物学上的一个重要问题的科学家们带来困难:细胞如何决定哪些基因应当被激活,何时被激活?这种答案部分上依赖于将每个基因与它的调节序列进行匹配。但是DNA链太薄而不能够在显微镜下追踪它们,而且即便能够开展这种追踪,人们也需应付细胞核中的大量DNA。


如今,一种被称作基因组结构绘制(Genome Architecture Mapping, GAM)的新技术有助鉴定这些接触。它涉及对细胞或组织进行瞬间冻结,然后切割单个细胞核的薄片。接着,这个研究小组对每个细胞核薄片内的微量DNA进行测序,并利用一种被称作SLICE的数学模型鉴定出DNA链之间相互作用增加的“热点”。这个数学模型研究了不同的基因组区域(如基因和增强子等)出现在细胞核薄片中的频率,从而推断关于基因和激活它们的增强子的相对位置的信息。


不过,利用GAM获得的最为显著的进展在于这些实验基于单个细胞(不论在组织中是常见的还是罕见的)开展的,并且追踪它们彼此在组织内的相对位置。现存的方法需要大量相同类型的细胞,这就使得很难研究罕见细胞类型的生物学特征和罕见的疾病类型。


CRISPR成像新技术


来自弗吉尼亚大学医学院的研究人员通过研究开发出了一种能够追踪活细胞中基因表达的新方法,研究者表示,他们能够让这些基因变红,并且观察其在三维空间中的运动方式,这样就能够像天空的星空图一样记录基因的位置;类似于月亮会影响潮汐一样,基因的位置也会影响其所带来的效应,基因位置的3D图谱或许就能够帮助科学家们深入理解基因的作用机理及其影响人类健康的分子机制。


研究者利用CRISPR基因编辑系统进行研究,首先他们利用荧光蛋白对特殊的基因组区域进行了标记,随后利用CRISPR对染色体进行成像,随后研究者就能够根据自己的意愿来开启或关闭基因的表达,同时还能够利用成像工具来观察所染色体中基因所发生的变化。


这种新方法克服了长期以来基因成像技术的限制,研究者Adli说道,我们被告知永远无法进行这种操作,目前有一些方法能够让我们在三维空间中对染色体进行研究,但如果要对成百上千万个细胞进行研究的话就必须杀死这些细胞;而本文研究中我们在单一细胞水平下进行了相关研究,同时细胞仍然能够保持活性,这样我们就能够以看电影的形式来观看细胞中所发生的的变化。


参考文献:
HiChIP: efficient and sensitive analysis of protein-directed genome architecture
Complex multi-enhancer contacts captured by genome architecture mapping
FISH-ing for captured contacts: towards reconciling FISH and 3C
Live cell imaging of low- and non-repetitive chromosome loci using CRISPR-Cas9.
Manipulation of nuclear architecture through CRISPR-mediated chromosomal looping.


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