Hi-C (High-through chromosome conformation capture) 是以整個(gè)細(xì)胞核為研究對(duì)象，利用高通量測(cè)序技術(shù)，結(jié)合生物信息分析方法，研究全基因組范圍內(nèi)整個(gè)染色質(zhì)DNA在空間位置上的關(guān)系，獲得高分辨率的染色質(zhì)調(diào)控元件相互作用圖譜。Hi-C可以與RNA-Seq、ChIP-Seq、ATAC-Seq等數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，從基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和表觀遺傳網(wǎng)絡(luò)來(lái)闡述生物體性狀形成的相關(guān)機(jī)制。
    今天，小編以一篇經(jīng)典文獻(xiàn)帶您了解Hi-C技術(shù)在疾病發(fā)生機(jī)制中的應(yīng)用。
 
題目：Chromatin interaction analysis reveals changes in small chromosome and telomere clustering between epithelial and breast cancer cells
期刊：Genome Biology
影響因子：11.908
研究目的：采用HI-C技術(shù)探究乳腺癌細(xì)胞三維空間結(jié)構(gòu)改變及其致病機(jī)制
實(shí)驗(yàn)分組：人乳腺上皮細(xì)胞系MCF-10A和乳腺癌細(xì)胞系MCF-7
測(cè)序策略：Hi-C：HiSeq 2000 PE100；RNA-seq：HiSeq 2000 SE100
研究思路：

研究背景
   三維基因組對(duì)于通過(guò)將遠(yuǎn)距離啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和其他順式調(diào)控區(qū)域集中在一起，來(lái)調(diào)控基因表達(dá)是非常重要的。癌癥的發(fā)展導(dǎo)致異常基因表達(dá)的幾種遺傳和表觀遺傳改變。 此外，癌癥是一種疾病，其細(xì)胞核中的主要形態(tài)學(xué)發(fā)生變化，用作診斷標(biāo)記。盡管癌癥的形態(tài)學(xué)特征具有很好的特征，但異常核形態(tài)的分子結(jié)構(gòu)仍然不甚了解。
    核內(nèi)染色質(zhì)的高級(jí)折疊涉及跨越不同尺度的分層結(jié)構(gòu)。顯微成像顯示染色體位于被稱(chēng)為染色體區(qū)域的限定區(qū)域內(nèi)。在細(xì)胞核中，每條染色體都有一個(gè)優(yōu)先但不固定的位置，其中基因密集的染色體往往位于核內(nèi)部。越來(lái)越多的證據(jù)強(qiáng)調(diào)了乳腺癌啟動(dòng)過(guò)程中染色體和基因定位的重要性。此外，最近的數(shù)據(jù)表明核的物理空間接近度對(duì)復(fù)發(fā)性易位的影響。
    幾項(xiàng)研究表明，基因組劃分為兩個(gè)區(qū)域，稱(chēng)為A/B compartments，它們?cè)诨�因組中一般呈間隔分布。研究發(fā)現(xiàn)A compartment通常與表達(dá)活躍的open chromatin相關(guān)，而B(niǎo) compartment與轉(zhuǎn)錄抑制的closed chromatin相關(guān)。
    TAD（topologically associating domains）是拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域，一般指具有“特殊生物學(xué)功能”的相互作用“方塊”，一般區(qū)域內(nèi)部的互作頻率顯著高于毗鄰的兩個(gè)區(qū)域的互作頻率，是基因組在空間結(jié)構(gòu)中基本的組織形式。已顯示TAD在不同物種，細(xì)胞類(lèi)型和生理?xiàng)l件下基本不變，并可作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控的功能單位。最近的研究闡明了TAD和轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的相互作用在激素調(diào)節(jié)（即雌激素或黃體酮治療）背景下基因組范圍內(nèi)的作用。TAD被認(rèn)為通過(guò)整合相同領(lǐng)域的監(jiān)管活動(dòng)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。在TAD中，10 kb至1 Mb范圍內(nèi)的循環(huán)相互作用將增強(qiáng)子和啟動(dòng)子組合在一起以調(diào)節(jié)基因表達(dá)。盡管之前的研究數(shù)量眾多，但正常上皮細(xì)胞和致瘤性乳腺癌細(xì)胞之間全基因組染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異仍然未知。
    在本研究中，為了表征乳腺癌發(fā)展過(guò)程中基因組的不同結(jié)構(gòu)，作者在MCF-10A乳腺上皮細(xì)胞系和MCF-7乳腺癌細(xì)胞系中進(jìn)行了全基因組染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（Hi-C）分析。 Hi-C是探測(cè)全基因組染色質(zhì)相互作用的強(qiáng)大分子工具。研究結(jié)果揭示了兩種常用的乳腺上皮細(xì)胞和致瘤性乳腺癌細(xì)胞系在不同分辨率上的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異。這項(xiàng)工作為了解乳腺癌染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變與基因表達(dá)之間的關(guān)系奠定了重要的基礎(chǔ)。
 
研究?jī)?nèi)容及結(jié)果
1. 染色質(zhì)相互作用熱圖分析比較
   為了探測(cè)乳腺上皮細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞的全基因組染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，作者從MCF-10A和MCF-7細(xì)胞系分別構(gòu)建了來(lái)自?xún)蓚�(gè)獨(dú)立生物學(xué)重復(fù)樣本的Hi-C文庫(kù)，在生物學(xué)重復(fù)之間分析結(jié)果具有高度的一致性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)人乳腺上皮細(xì)胞系MCF-10A，在chr16-chr22號(hào)小染色體中，有較強(qiáng)的相互作用。

 
MCF-10A和MCF-7中chr16-chr22號(hào)染色體間互作比較

2. A/B compartment互相轉(zhuǎn)化分析
    基因組中存在兩種獨(dú)特的相互作用模式，代表開(kāi)放（A型）和封閉（B型）基因組區(qū)室。作者確定了兩種基因組中的區(qū)域化模式在生物學(xué)重復(fù)中具有高重現(xiàn)性。在250 kb的分辨率下，MCF-10A和MCF-7基因組顯示出開(kāi)放和閉合區(qū)室的相似分布。只有一些區(qū)域有A到B區(qū)室或者B到A區(qū)室的轉(zhuǎn)化，這些轉(zhuǎn)化區(qū)域中的很多基因與癌癥重要通路WNT相關(guān)。

  
A/B compartment 互相轉(zhuǎn)化分析

3. TAD邊界分析
   盡管染色體結(jié)構(gòu)以及區(qū)域化和基因表達(dá)都有所變化，但不同細(xì)胞系中約有85％（2805）的TAD邊界是相同的。這一結(jié)果表明，盡管具有細(xì)胞類(lèi)型特異性和大規(guī)模結(jié)構(gòu)差異，但TAD邊界在非致瘤細(xì)胞和致瘤細(xì)胞之間是一致的。同時(shí)，用40kb分辨率來(lái)鑒定TAD邊界，發(fā)現(xiàn)一些TAD邊界是乳腺癌細(xì)胞系特有的。

               
 TAD邊界分析       
                              
       

   總體而言，在本研究中，從大規(guī)模染色體順式和反式相互作用到基因組區(qū)域化和TAD形成，作者繪制了乳腺上皮細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞在不同分辨率下的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)錄調(diào)控和腫瘤發(fā)生中的功能作用提供更多的依據(jù)。
    文章小結(jié)：作者展示了乳腺上皮細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞之間染色體結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)之間的復(fù)雜關(guān)系。更重要的是，這項(xiàng)研究繪制了染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的全基因組視圖，并提供了一種渠道，該渠道可以用于研究乳腺癌的兩種細(xì)胞系中的染色質(zhì)相互作用。
 
解析文獻(xiàn)
A. Rasim Barutcu1, Bryan R. Lajoie2, et al. Chromatin interaction analysis reveals changes in small chromosome and telomere clustering between epithelial and breast cancer cells. Genome Biology, 2015, 16:214.
 
參考文獻(xiàn)
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