2018年新技術：動態3D基因組分析

測序和成像的發展帶來了獨特的基因組結構研究

結合成像和測序的三維基因組分析

探索基因組三維結構的許多方法都是相同的原理，即針對線性空間中彼此遠離，但在3D結構中靠得很近的基因組區域進行分離和測序。這些方法包括檢測全基因組相互作用的方法，例如Hi-C；圍繞特定的基因座的方法，如3C和4C；通過富集與某種特定蛋白相互作用的基因組位點的方法，如ChIA-PET，還有最近的Hi-ChIP (Nat. Methods 13, 919–922, 2016)，以上這些都是依賴於相互作用位點之間的交聯，還有一種方法是2017年報道的無連接方法：基因組結構圖譜（Nature 543,519-524，2017）。

所有這些方法中，基於測序的接觸頻次轉換成了接觸圖譜，這為了解染色質的結構提出了重要的見解。然而，嚴格來說分子水平上的readout並不能直觀地顯示出序列的相互作用，更不用說遵循活細胞中的染色質動力學了。

而且用於驗證3C方法的成像技術（如熒光原位雜交FISH）並不總是精確的，如果能通過3C方法來確定接觸頻次，通過FISH來觀察空間距離，就能檢測到基因組組織的不同方面。此外，FISH成像要比3C檢測到相互作用少一個數量級，因此會忽略了罕見事件。協調這些數據，獲得統一的染色體模型是一個重要的挑戰（Nat.Methods 14，673-678，2017）。

最近的一項技術可能超越了靜態FISH成像：基於CRISPR，用於觀察活細胞中染色質動力學的的新方法（例如，Nat.Commun.8,14725,2017，具體見後）。這些方法目前在很大程度上只限於研究重複區域，但隨著技術的發展，也許它們將能延伸到多個獨特的非重複性基因位點研究。

以上每種方法都為基因組的研究帶來了重要的信息，整合所有的數據可能就會得到最好的答案。研究人員希望獲得實時交互區域的高解析度視圖，同時了解這些區域的序列，這非常重要，因為目前操控基因組結構的研究取得了一些進展（例如，Nat.Commun.8,15993,2017）。結合分子和成像的數據，將能為理解野生型或改變後的基因組結構對生物過程的影響。

HiChIP新技術

斯坦福大學的研究團隊九月十九日在Nature Methods雜誌上發表文章，為人們提供了一種靈敏高效的新技術——HiChIP。

HiChIP是一種以蛋白為中心的染色質構象分析方法。這種方法將染色體構象捕獲與基於免疫沉澱和tagmentation的文庫製備結合起來，能夠揭示圍繞目的蛋白的3D染色質結構。研究顯示，與ChIA-PET（基於配對末端標籤測序的染色質交互作用分析）相比HiChIP提供的構象信息多十倍，所需的樣本量少一百倍。研究人員針對黏連蛋白進行HiChIP分析，揭示了多層次的基因組結構，獲得了高於原位Hi-C（高解析度染色體構象俘獲）的信噪比。

GAM新技術

基因經激活後產生RNA和蛋白，然後當這些分子不再需要時，就會再次被關閉。基因和它的調節區域都是DNA序列，它們可能在線性的基因組中相隔較遠的距離。這就給細胞帶來挑戰，這是因為這些區域通常需要接觸才能夠激活基因。

它也給試圖理解生物學上的一個重要問題的科學家們帶來困難：細胞如何決定哪些基因應當被激活，何時被激活？這種答案部分上依賴於將每個基因與它的調節序列進行匹配。但是DNA鏈太薄而不能夠在顯微鏡下追蹤它們，而且即便能夠開展這種追蹤，人們也需應付細胞核中的大量DNA。

如今，一種被稱作基因組結構繪製（Genome Architecture Mapping, GAM）的新技術有助鑒定這些接觸。它涉及對細胞或組織進行瞬間凍結，然後切割單個細胞核的薄片。接著，這個研究小組對每個細胞核薄片內的微量DNA進行測序，並利用一種被稱作SLICE的數學模型鑒定出DNA鏈之間相互作用增加的「熱點」。這個數學模型研究了不同的基因組區域（如基因和增強子等）出現在細胞核薄片中的頻率，從而推斷關於基因和激活它們的增強子的相對位置的信息。

不過，利用GAM獲得的最為顯著的進展在於這些實驗基於單個細胞（不論在組織中是常見的還是罕見的）開展的，並且追蹤它們彼此在組織內的相對位置。現存的方法需要大量相同類型的細胞，這就使得很難研究罕見細胞類型的生物學特徵和罕見的疾病類型。

CRISPR成像新技術

來自弗吉尼亞大學醫學院的研究人員通過研究開發出了一種能夠追蹤活細胞中基因表達的新方法，研究者表示，他們能夠讓這些基因變紅，並且觀察其在三維空間中的運動方式，這樣就能夠像天空的星空圖一樣記錄基因的位置；類似於月亮會影響潮汐一樣，基因的位置也會影響其所帶來的效應，基因位置的3D圖譜或許就能夠幫助科學家們深入理解基因的作用機理及其影響人類健康的分子機制。

研究者利用CRISPR基因編輯系統進行研究，首先他們利用熒光蛋白對特殊的基因組區域進行了標記，隨後利用CRISPR對染色體進行成像，隨後研究者就能夠根據自己的意願來開啟或關閉基因的表達，同時還能夠利用成像工具來觀察所染色體中基因所發生的變化。

這種新方法克服了長期以來基因成像技術的限制，研究者Adli說道，我們被告知永遠無法進行這種操作，目前有一些方法能夠讓我們在三維空間中對染色體進行研究，但如果要對成百上千萬個細胞進行研究的話就必須殺死這些細胞；而本文研究中我們在單一細胞水平下進行了相關研究，同時細胞仍然能夠保持活性，這樣我們就能夠以看電影的形式來觀看細胞中所發生的的變化。

參考文獻：

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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