清華張奇偉、陳陽合作組開發4D基因組學新工具——FIND

在細胞分化發育的不同階段或細胞接受外界刺激時，基因組三維高級結構（染色質構象）都會發生相應改變，進而影響基因表達，響應外界信號，最終決定細胞命運【1,2】。染色質構象變化分析已成為進入4D基因組學研究（研究動態變化下基因組三維結構和功能）的一把關鍵鑰匙。Hi-C是染色質結構無偏檢測的重要手段，隨著未來可預期的時序、高解析度Hi-C數據的迅猛增加，研究者已迫切需要針對Hi-C數據、特別是高解析度Hi-C數據的染色質相互作用差異分析工具。

清華大學張奇偉（Michael Q. Zhang）、陳陽合作組繼去年11月在Nature Communication發表了高解析度Hi-C技術BL-Hi-C【3】、今年2月在Cell Death & Disease發表Hi-C數據研究框架「RADAR」後（清華張奇偉、陳陽組發表白血病細胞三維基因組學最新成果）【4】，該合作組又在今年3月Genome Research發表了題為「FIND: difFerential chromatin INteractions Detection using a spatial Poisson process」的方法學論文——Hi-C數據差異分析方法FIND，這一方法的問世為相關科研人員帶去了很大的便利。

以往的Hi-C數據差異檢測工具，大多假設基因組上兩個位置的相互作用與周圍位置的相互作用情況相互獨立，僅僅對比不同樣本Hi-C矩陣特定位置的相互作用數目來檢測差異（count-based），這種假設顯然與事實不符。FIND則考慮了DNA序列鄰近位置間的空間依賴性，因此利用空間泊松分布過程來尋找與特定位置與及其鄰近位置都存在染色質相互作用顯著變化的染色質區域（下圖）。

基於空間泊松分布過程的染色質構象差異分析方法

在文章中，作者對比了FIND和目前廣泛使用的count-based方法edgeR在模擬數據和真實數據上的性能。模擬數據顯示FIND的綜合性能顯著優於edgeR，反應了空間依賴性可以有效地抵抗數據中的雜訊。並且FIND的假陽性數據主要分布在真實差異相互作用的附近，而edgeR假陽結果則更可能是隨機雜訊。研究者進一步應用FIND檢測K562和GM12878兩種細胞系的染色質結構變化。

結果進一步表明，相對於edgeR, FIND不僅能夠檢測到更多的差異相互作用位置，並且這些差異相互作用靠近差異的CTCF結合位點和活躍的表觀信號，與差異基因的變達也更為相關（下圖）。

FIND檢測到的差異相互作用與轉錄更相關

值得關注的是，在實際應用FIND過程中研究者並不需要對Hi-C 數據進行染色質拓撲結構域分析或染色質環分析，就可以直接使用不同細胞狀態下歸一化的Hi-C相互作用矩陣，通過FIND直接獲得不同狀態下差異的染色質相互作用（下圖）。這一設計極大提升了方法的易用性，非常值得大家嘗試。

據悉，清華大學自動化系2012級博士生Mohamed Nadhir Djekidel（現在哈佛大學醫學院張毅Lab從事博士後研究）為本文的第一作者, 清華大學北京信息科學與技術國家實驗室陳陽助理研究員、張奇偉教授為該論文的共同通訊作者。

參考文獻：

1. Bonev B, Cohen N M, Szabo Q, et al. Multiscale 3D genome rewiring during mouse neural development[J].Cell, 2017, 171(3): 557-572. e24.

2. Stadhouders R, Vidal E, Serra F, et al. Transcription factors orchestrate dynamic interplay between genome topology and gene regulation during cell reprogramming[J].Nature genetics, 2018: 1.

3. Liang, Z., Li, G., Wang, Z., Djekidel, M. N., Li, Y., Qian, M. P., ... & Chen, Y. (2017). BL-Hi-C is an efficient and sensitive approach for capturing structural and regulatory chromatin interactions.Nature Communications, 8(1), 1622.

4、Li, Y., He, Y., Liang, Z., Wang, Y., Chen, F., Djekidel, M. N., ...& Chen, Y.(2018). Alterations of specific chromatin conformation affect ATRA-induced leukemia cell differentiation.Cell death & disease, 9(2), 200.

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