三维基因组学在神经精神疾病领域的研究进展

神经精神疾病影响着全球数千万人的生活,成为日益严重的社会问题。遗传是介导神经精神疾病发生的重要因素之一。但是,人群全基因组关联研究(genome-wide association studies, GWAS)检测出的疾病风险位点大多位于基因组的非编码区域,是目前进一步鉴定疾病风险基因及推动发病机制研究的瓶颈所在。三维基因组学(three-dimensional genomics)关注染色质空间构象及基因组序列的远程相互作用,相关技术的开发和应用为建立疾病风险位点与靶向基因间的关联提供直接证据,拓展了疾病风险基因的鉴定。与此同时,疾病风险位点与基因相互作用的细胞特异性为理解疾病的发生机制提供了全新思路。最后,染色质空间构象重塑可调控集群基因的转录表达,可能参与介导疾病的表型复杂性及异质性。本文在简单介绍三维基因组学的基础概念和应用的基础上,重点总结及分析其在神经精神疾病领域的研究进展,主要包括精神分裂症(schizophrenia, SCZ)、阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)和孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD),为相关疾病的发病机制研究提供新思路。

三维基因组学概述及其在家畜生物育种方面的研究进展

真核细胞中染色质以不同层次的三维结构有序的折叠在细胞核中,其空间层次结构对基因的表达调控和细胞发挥正常的生理功能都起着重要的作用,在生物育种方面具有很大潜力,但尚未被完全探索。本文介绍三维基因组的结构单元(染色质疆域、A/B区室、拓扑关联结构域和染色质环)以及研究三维基因组的主要技术,对三维基因组学在家畜生物育种中的研究进展和应用前景进行了探讨,旨在深入了解三维基因组学的功能和应用前景,以期为生物育种改良提供部分帮助。

细胞终末分化过程中三维基因组结构与功能调控的分子机制

真核细胞中的染色质DNA高度折叠形成复杂的三维结构,其空间组织方式对精准调控基因的表达和细胞发挥正常功能都起着重要的作用。细胞终末分化成熟过程中形态及基因表达谱常发生显著改变,同时伴随着明显的基因组三维结构变化。本文在简单介绍三维基因组多层次组织结构(染色质领域、A/B区室、拓扑相关结构域和成环构象等)基础上,重点综述了细胞终末分化过程中三维基因组结构变化与功能调控方面的研究进展,并探讨了当前三维基因组研究在解析细胞分化成熟过程时存在的问题和前景。

Hi-C技术在三维基因组学和疾病致病机理研究中的应用

三维基因组学在基因组序列、基因结构及其调控元件的基础上对细胞核内的染色质的三维空间结构进行研究。染色体的空间交互作用是基因表达调控的重要因素,随着高通量染色体构象捕获(high-throughput chromosome conformation capture,Hi-C)技术及其衍生技术的出现和快速发展,借助Hi-C技术获取高通量三维基因组学数据,对基因表达调控等生物过程进行研究,已成为揭示细胞深层机制、阐明疾病致病机理的重要手段。本文在介绍三维基因组的发展历程和研究技术的基础上,重点总结了近年来Hi-C技术在多种疾病研究、特别是致病机理阐释方面的应用和成果,为深入理解三维基因组学在构建全局基因调控图谱、挖掘疾病致病机理方面的应用提供参考和借鉴。

动物染色质三维基因组及转录调控研究进展

真核生物细胞核内基因组染色质并不是以线性分子的形式无序存在,而是以不同层次的三维结构有序地压缩在细胞核内,这种复杂的三位基因组结构在基因转录、DNA复制、细胞分裂和减数分裂等过程中具有重要作用。染色质构象捕获技术(chromosome conformation capture,3C)及其衍生技术是目前鉴定基因组染色质三维结构的主要手段。本文将从基因组染色质三维结构层次、研究技术、表达调控机制、在动物育种中的应用及展望等方面概述三维基因组学的研究进展。

三维基因组数据分析方法进展

对染色质三维结构的探究逐渐成为了解基因组功能与基因调控关系的必要手段.近年来,随着高通量染色体构象捕获(Hi-C)等技术的发展和高通量测序成本的降低,全基因组交互作用的数据量快速增长,交互作用图谱分辨率不断提高.这给三维基因组学发展带来机遇的同时,也给计算建模带来了挑战.当前,三维基因组数据的分析方法覆盖面广,包括了数据前期处理、标准化、可视化、特征提取、三维建模等环节,但是如何从中选择高效、准确的方法却成为制约研究者们开展研究的一项关键因素.本文根据这些方法的适用场景、原理及特点进行系统地归纳,并重点关注了针对新技术或新需求的分析方法,以期促进这一领域中信息学方法的应用和开发,助力三维基因组学的研究.

基于Hi-C技术哺乳动物三维基因组研究进展

基因组DNA在细胞核中并不是呈线性的一字排列,而是以三维结构高度折叠并浓缩成染色质的方式储存于核内,具有特定的高级空间结构和构象。高通量染色体构象捕获(high-througnput chromosome conformationcapture, Hi-C)技术于2009年首次被提出,目前已得到大规模运用,使得人们对于三维基因组学有了更深刻的认识。研究表明,哺乳动物基因组三维层级结构单元由大到小依次为染色体疆域(chromosome territory, CT)、染色质区室(chromatin compartment A/B)、拓扑关联结构域(topological associated domain, TAD)和染色质环(chromatin loop),这些层级结构单元在基因转录和表达调控过程中发挥着重要作用。本文基于Hi-C技术从染色质的三维层级结构划分、构象单元作用以及三维基因组在发育、疾病等方面的应用进行阐述,旨在为更深入地了解哺乳动物三维基因组学研究提供参考。

CRISPR/Cas9基因编辑在三维基因组研究中的应用

CRISPR/Cas9系统在基因编辑方面具有巨大优势,能够低成本、可编程、方便快捷地用于动物、植物以及微生物的基因组靶向编辑和功能改造。三维基因组学是近年来兴起的一门研究染色质高级结构动态调控及基因组生物学功能的交叉学科。在三维基因组研究中,通常采用对DNA片段进行基因编辑以模拟基因组结构性变异,标记特定DNA片段,进而研究调控元件对于基因调控、细胞分化、组织发生、器官形成、个体发育的影响,最终阐明三维基因组的组装调控机制和生物学功能。因此,CRISPR及其衍生技术为研究三维基因组提供了极好的遗传学工具。本文主要综述了CRISPR片段编辑及其衍生技术在三维基因组调控与功能研究中的应用,以期为后续研究工作提供理论参考以及新的研究思路。

CTCF在介导三维基因组形成及调控基因表达中的研究进展

真核细胞间期的染色质在细胞核中经过复杂的盘曲折叠,形成高级拓扑结构,这样的染色质结构空间组织对基因表达有重要影响。CTCF(CCCTC-binding factor)作为关键的染色质高级结构架构蛋白,对三维基因组结构的形成起到了重要作用。CTCF还可以与基因组内大量的绝缘子结合,影响染色质远程交互,实现对增强子和基因转录调控的绝缘效应。本文主要对近期美国圣裘德儿童研究医院Chunliang Li团队对于CTCF完全降解后发现染色质可及性发生变化的研究结果,上海交通大学系统生物医学研究院吴强团队、美国加州路德维希癌症研究所任兵团队对于CTCF结合位点充当绝缘子作用机制的最新结果进行部分点评及讨论。

三维基因组学在畜禽遗传育种中的应用

基因组DNA在细胞核中以三维结构高度折叠并浓缩成染色质的方式储存于核内,具有特定的高级空间结构和构象,在此基础上相继发现了染色体疆域、染色体区室、拓扑关联结构域、染色质环等结构。染色质的三维结构对生物体基因的表达调控具有巨大影响,随着染色质构象捕获技术不断发展和衍生,研究基因组三维空间结构与功能的三维基因组学也逐渐成为近几年生物学研究领域内的一大热点。本文从染色质的三维结构、染色质捕获技术以及三维基因组学在畜禽遗传育种中的应用3个方面进行综述,旨在将三维基因组学内容更好的运用于畜禽遗传育种工作中,为后续相关研究提供参考。

三维基因组学及其应用概述

基因组携带着生命体完整的遗传信息。人类基因组计划和DNA元件百科全书计划分别在一维和二维水平上研究了基因组序列、基因组结构及其调控组件。但是,对于基因组信息调控基因在特定时空中表达仍然知之甚少。基因组测序技术的发展催生了一门新兴学科——三维基因组学。本文就三维基因组学的诞生和发展、研究内容和技术以及应用前景进行综述。

三维基因组浅议

三维基因组研究一直是国际研究的热点，作者将在此文中进行介绍。

三维基因组学在畜禽遗传育种中的应用研究

真核生物细胞核中DNA与核小体高度缠绕折叠后浓缩成染色质,染色质结构由大到小又可划分为染色质疆域、染色质区室、拓扑关联结构域与染色质环,其精细程度也逐级增加。染色质的三维结构对于基因的表达调控具有重要影响。畜禽育种工作可以直接影响到畜禽经济性状、抗病性状以及产品质量,对畜牧业发展有深远影响。从三维基因组学角度来解析畜禽重要经济性状形成原因,并对主效基因加以利用是改善畜禽经济性状的有效手段。本文从染色质的三维结构、染色质捕获技术以及三维基因组学在畜禽遗传育种中的应用3个方面进行探究,旨在更好地将三维基因组学应用于畜禽遗传育种工作中。

起航三维基因组学研究

人类基因组测序完成已有十多年.但是,基因组信息如何指导基因在特定空间和时间表达的机理仍有待阐明."结构决定功能"是认识自然规律中的一个共识.在生物学中,这一共识不仅适用于RNA、蛋白质等小规模的有机分子,同样也应该适用于全基因组这样的DNA大分子.最近的研究表明,基因组的三维空间结构对基因组的表达、调控等功能有重要的影响.因此,研究全基因组的三维空间结构和功能成为基因组学一个新发展趋势.基因组三维空间结构与功能的研究简称三维基因组学,是指在考虑基因组序列、基因结构及其调控元件的同时,对基因组序列在细胞核内的三维空间结构,及其对基因转录、复制、修复和调控等生物过程中功能的研究.随着大规模基因组测序技术的发展,我们已经拥有研究三维基因组的相关技术如ChIA-PET和Hi-C.初步的ChIA-PET和Hi-C数据分析展示了基因组三维空间结构对基因组功能的意义,为进一步研究基因组三维空间结构和功能提供了基础.本文总结了三维基因组学研究的发展,概括了三维基因组学研究中的问题和目前的进展,并讨论了可能的应用前景.登高更见远,期待三维基因组学研究将深化对生命现象和规律的认识,为基础生物学发展带来新契机、为更进一步推动生物医学及农业应用打下坚实的基础.

三维基因组学研究进展

三维基因组学是一门研究基因组三维空间结构与功能的新兴学科,主要研究基因组序列在细胞核内的三维空间构象,及其对DNA复制、DNA重组、基因表达调控等生物过程的生物学效应。自染色质构象捕获技术(3C)出现后,三维基因组学相关研究领域飞速发展。借助于3C及其衍生技术、Hi-C和ChIA-PET等技术,科学家能对各类物种的三维基因组进行更为深入的研究,从而揭示微生物、植物和动物基因组的空间构象、染色质的相互作用模式、转录调控以及不同生物学性状的形成机制;挖掘与生命活动和疾病相关的关键基因和信号通路;推动农业科学、生命科学和医学等领域的快速发展。文中就三维基因组学研究进展作一综述,主要阐述三维基因组学的概念和研究技术的发展及其在农业科学、生命科学和医学等领域的应用,尤其是肿瘤领域所取得的阶段性研究成果。

三维基因组测序技术发展

近20年来,研究者们通过大规模DNA测序,在基因组、转录组和表观基因组方面获得了大量的信息,这些信息为人类基因组中的功能元件和相互作用机制等研究提供了许多详细的视图。但明确2 m长的DNA如何组装在10μm左右的细胞核中仍是一个挑战性的工作。人们着眼于多角度探究染色质在狭窄空间里的精准调控表达,因此,三维基因组研究也越来越受到关注,与此相关的技术也在不断发展中。主要介绍以核邻位连接为基础的染色质构象捕获技术(3C)及其衍生技术,如4C、5C、Hi-C及其衍生技术、Ch IA-PET、原位Hi-C,以及DLO Hi-C等,并简单介绍应用这些技术已取得的重要成果以及未来的发展方向。

三维基因组学在动物遗传育种中的研究进展

三维基因组学是近年兴起的研究基因组三维空间和结构的学科,是在基因组序列、基因结构及其调控元件的基础上对基因组序列在细胞核内的三维空间结构,及其对基因复制、转录、修复和调控等生物过程中的功能进行的研究。随着高通量测序技术的出现和改进,三维基因组学相关研究也得到快速发展。重点介绍三维基因组的发展历程、研究技术、结构层次,并总结近年来三维基因组学在动物遗传育种方面的应用。

三维基因组染色质构象捕获及其衍生技术

线性染色质经过多重折叠凝缩到真核生物的细胞核中,染色质的三维构象直接决定了真核生物的基因表达,因此染色质可以在局部或远程空间上发生互作调控基因转录。折叠成环状构象的染色质可以借助染色质构象捕获(Chromosome conformation capture,3C)技术来研究,基于3C技术扩展的4C/5C/Hi-C从单个位点延伸到全基因组捕捉三维构象,在此基础上,染色质构象核心技术可以与免疫共沉淀、核酸分子杂交、单细胞、基因组测序等技术偶联而产生新的衍生技术和应用,这极大地推动了染色质构象技术在基因时空特异性表达调控上的研究。文中将以3C和Hi-C等三维基因组核心技术为基础,重点介绍染色质构象捕获及其衍生技术的原理和前沿应用。

基于原位Hi-C技术对人肝细胞癌细胞系PLC/PRF/5和正常人肝细胞系L02的三维基因组对比测序分析(英文)

肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)的肿瘤发生是基因组突变和表观遗传修饰变化积累的结果,但是HCC发生过程中的三维基因组构造变化仍然缺乏研究。基于此,在人源HCC细胞系PLC/PRF/5和人源正常肝细胞系L02中进行了原位Hi-C分析,并辅以转录组测序以及SMC3/CTCF/H3K27ac的染色质免疫共沉淀测序分析,借此比较两细胞系的三维基因组差异。结果显示,相较于正常肝细胞系,在PLC/PRF/5中发生了显著的染色体结构区域(Compartment)转换、三维拓扑结构域(Topologically associating domains,TAD)滑动和染色质环(Loop)的变化。以上这些染色质空间结构的差异与HCC细胞系中肿瘤特异性基因表达和启动子开放性增高具有相关性。因此,在PLC/PRF/5细胞系中的染色质三维结构差异可能在HCC肿瘤发生的表观遗传学机制中具有重要作用。

基于基因组学的作物种质创新研究进展

种质创新作为种质资源与育种的重要环节,在作物育种中发挥着极其重要的作用。随着第2代测序技术的发展、普及和测序成本的降低,基因组学的理论与方法在种质资源的研究中得到了广泛应用,种质资源的创新与利用在研究思路与方法上得到了全新变革。基因组学不仅为种质资源的收集与利用提供了理论指导,也为解决作物的起源与进化及驯化提供了理论与技术,大大提高了优良基因发掘和种质创新效率。概述了测序技术的发展,基因组学在作物起源与进化、新基因发掘和种质创新等方面的应用,为种质资源的创新提供参考。