核小体及染色质修饰的基因组分布模式和染色质状态

染色质是真核DNA的存在方式,可以通过影响DNA的可及性调节基因转录,其基本单元为核小体,系由约147 bp的DNA缠绕在组蛋白八联体上形成的结构,核小体之间以连接DNA相连.核小体组蛋白上能发生甲基化和乙酰化等化学修饰.核小体位置、DNA的甲基化和组蛋白的修饰等对染色质状态(常染色质或异染色质)及基因组之间的长程相互作用有重要影响.近年,基于高通量测序技术,核小体位置和染色质修饰在多种细胞中的基因组分布已被测定.结果显示,这些标记的分布模式具有位点特异、动态变化、相互偶联和高度复杂的特征.本文详细回顾并评述了核小体位置和染色质修饰的分布模式、对应生物学功能、修饰之间的关联、实验测定技术、染色质状态的计算分析等内容.该工作对于深入认识和理解染色质的表观遗传调节机制有重要意义.

在人类胰腺癌细胞BxPC3全基因组中受Notch-1胞内结构域和CBF-1转录共调控的靶基因特征分析

目的在人类胰腺癌细胞BxPC3全基因组水平上寻找受Notch-1胞内结构域和CBF-1共同转录调控的靶基因;分析它们的类型、功能和在基因组中的分布等特征值;并以此为基础预测Notch信号通路的潜在生物学功能和调控模式。方法染色质免疫共沉淀联合基于Illumina/Solexa平台的高通量测序。结果 1)Notch-1胞内结构域和CBF-1两组样本有效read数分别为14 287 722和14 289 280个,与人类参考基因组唯一匹配的read数分别为11 782 027和11 711 920个;2)两组样本的peak数分别为385和492个,peak区域分别为318 344 bp和383 768 bp,都占全基因组的约0.01%;3)两组样本的peak区域几乎集中于基因间区和内含子区,只有不到5%位于外显子区;4)两组样本的peak对应基因数分别为150和287个,其中共有基因93个;5)通过基因聚类分析和数据库比对可以查到这些基因的名称、分类、基本功能和在基因组中的位置等具体信息。结论在人类胰腺癌细胞BxPC3全基因组范围内找到了更多在转录水平上受CBF-1和Notch-1胞内结构域共同调控的未知靶基因;初步明确了它们的类型、分布和功能等特征值;这些数据可以为进一步分析Notch信号通路潜在的生物学功能和调控模式奠定基础。

全基因组染色质相互作用Hi-C文库制备的优化及其质量控制

Hi-C(highest-throughput chromosome conformation capture)技术是近年出现的一种研究染色质相互作用的关键技术。该技术步骤多、耗时长,涉及的试剂耗材繁杂,目前常规流程还有较多可以改进优化的步骤。本研究以GM12878细胞为材料,通过优化常规Hi-C实验中的交联、酶切、限制性内切酶的失活、末端生物素标记、原位连接等关键步骤,建立了稳健的Hi-C流程,制备了相应的Hi-C文库。文库经初步的Sanger测序等质量控制以后,两个生物学重复文库进行了高通量测序。测序结果利用生物信息学处理发现:原始测序数据中可比对率和配对率分别达到90%和72%左右。此外,去除自连片段(self-circular ligation)和dangling-ends片段以后,可获得超过96%的有效相互作用对,其中染色体内相互作用数据达到60%。进一步的染色体相互作用热图分析可见清晰拓扑学相关结构域TADs(topologically associated domains),与已发表的文献报道一致。而两次生物学重复之间的相关性分析则表明bin coverage和all bin pairs的相关性都极强。上述结果表明通过对常规Hi-C流程关键步骤的优化,本研究建立了高效、稳健、可靠的Hi-C流程,对Hi-C技术的进一步使用与推广具有重要的参考价值。

染色质开放状态对结肠癌相关功能通路影响的生物信息学分析

目的利用癌症基因组图谱(TCGA)数据库的染色质开放性高通量测序(ATAC-seq)数据和转录组测序(RNA-seq)数据,探索染色质开放状态对结肠癌相关功能通路的影响。方法从TCGA数据库下载结肠癌ATAC-seq数据和RNA-seq数据,使用R 3.5.3软件对ATAC-seq数据进行质量控制。对全部样本ATAC-seq数据峰值(peaks)进行基因注释,对所注释基因进行基因本体(GO)功能富集分析和京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析。选择结肠癌关键基因肿瘤抑制基因APC(APC)、Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因(KRAS)、v-raf小鼠肉瘤病毒癌基因同源物B1(BRAF),对3个基因的启动子区ATAC-seq数据peaks与RNA-seq的每千个碱基的转录每百万映射读取的片段数(FPKM)进行Pearson相关性分析。对TNM分期Ⅲ+Ⅳ期和Ⅰ+Ⅱ期的组织样本进行差异ATAC-seq数据peaks分析,并对上调和下调peaks注释基因进行KEGG通路富集分析。结果结肠癌ATAC-seq数据peaks在染色体分布均匀,大多数分布于启动子区(距离转录起始位点≤1 kb、>1~2 kb、>2~3 kb者分别占30.17%、5.42%、3.88%)和远端基因间区(26.17%),符合染色质开放区2种主要类型的分布。GO功能和KEGG通路富集分析结果显示,结肠癌ATAC-seq数据peaks注释基因显著富集于癌症相关功能和通路,如Wnt信号通路的细胞间信号转导、表皮生长因子受体(ErbB)信号通路等。结肠癌关键基因APC、KRAS、BRAF启动子区ATAC-seq数据peaks与其RNA-seq的FPKM呈正相关。TNM分期Ⅲ+Ⅳ期相对Ⅰ+Ⅱ期患者上调peaks注释基因显著富集于ErbB信号通路、Wnt信号通路、PI3K-Akt信号通路、P53信号通路等增殖、侵袭和转移相关信号通路,下调peaks注释基因显著富集于T细胞受体信号通路、B细胞受体信号通路、细胞黏附分子信号通路等免疫识别相关信号通路。结论染色质开放状态对结肠癌相关功能通路调控起着重要作用。

高雄激素调控颗粒细胞系全基因组靶基因及通路的初步探讨

目的:全基因组范围内探索高雄激素调控卵巢颗粒细胞的直接效应基因及通路,为高雄激素参与多囊卵巢综合征(PCOS)的发病机理提供数据支持。方法:以人卵巢颗粒细胞系KGN为研究对象,用高浓度睾酮(10^(-5)mol/L)处理,应用雄激素受体的抗体进行染色质免疫共沉淀,构建DNA文库,进行高通量测序及生物信息学分析。结果:高浓度睾酮处理后,KGN细胞中雄激素受体结合的Peak区域与对照组明显不同。高雄激素诱导其受体结合的Peak为1823个,大部分集中于基因间区与内含子。Peak关联靶基因富集到细胞凋亡、铁死亡、细胞黏附分子、磷脂酶D信号途径、cAMP信号通路、磷脂酰肌醇信号系统、磷酸肌醇代谢、神经活性配体-受体相互作用8个信号通路,涉及基因43个。结论:研究揭示了高雄激素诱导的卵巢颗粒细胞发生改变的重要信号通路,有助于从源头上阐明雄激素参与PCOS发病机理的机制,并为PCOS的治疗提供潜在的靶点。

染色质转座酶可及性测序研究进展

染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq)诞生于2013年,具有比脱氧核糖核酸酶I超敏感位点测序(deoxyribonuclease I hypersensitive site sequencing, DNase-seq)和微球菌核酸酶敏感位点测序(micrococcal nuclease sequencing, MNase-seq)更快速、灵敏、简便的优点,是目前分析全基因组范围染色质开放区域的热点技术。通过该技术能获得染色质开放区域的相关信息,从而映射出转录因子等调控蛋白的结合区域和核小体定位等信息,对于研究表观遗传分子机制具有重要意义。本文比较了5种获取染色质开放区域技术的优缺点,重点介绍了ATAC-seq的原理和主要流程,描述了利用ATAC-seq技术研究染色质开放区域的发展概况以及ATAC-seq的相关应用,期望对真核生物全基因组水平的染色质开放区域研究、顺式调控元件鉴定以及遗传调控网络的解析等提供借鉴。

乳腺癌中基于开放染色质的环状RNA互作网络构建及功能分析

目的发现乳腺癌中重要的环状RNA(circular RNA,circRNA)及其参与的分子生物处理过程。方法全基因组范围内分析3种乳腺癌细胞系:MCF-7、T-47D、MDA-MB-231的脱氧核苷酸酶Ⅰ超敏感位点高通测序数据(DNaseⅠhypersensitive sites sequencing,DNase-seq)和转座酶可接近性染色质高通测序数据(assay for transposase accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq),筛选出捕获的基因编码序列上对应的活化circRNA,然后基于KEGG pathway对活化circRNA基因进行富集筛选,在此结果中选取3个细胞系共有的活化circRNA基因,依据Gene Ontology的分子生物过程构建乳腺癌活化circRNA基因互作网络。结果表达调控网络识别出111个关键功能模块,主要分为调控类和反应类,此外还包括一些重要的信号通路。将活化circRNA基因互作网络中,连接度大于50的活化circRNA基因定义为hub基因,hub基因对应的circRNA定义为hub circRNA,它们是:PTK2B、PDCD6IP、ABL1、EGFR、RHOA、MTOR、NRP1、ATR、CTNNB1、ILK、NF1、PRKCA、HNRNPK、MEF2C、PMAIP1、LYN、NR4A3、SRF、AREG、PML、PTK2、ROCK2、TGFBR2、VEGFA、DLG1、HRAS、ITGA2、CREB1、STAT3、RUNX2和TIAM1。结论乳腺癌细胞染色质中处于活化状态的circRNA,其参与的生物过程主要是正、负调控细胞周期、凋亡、增生、分化等重要的细胞生物过程,因此表明circRNA在乳腺癌的发生发展过程中起到重要作用。

前列腺癌细胞核内雄激素受体靶基因的筛选

目的筛选雄激素依赖性前列腺癌(PC)和雄激素非依赖性PC细胞核内的雄激素受体靶基因。方法取雄激素依赖性PC细胞株LNCaP和雄激素非依赖性PC细胞株LNCaP-AI进行培养,使用染色质免疫共沉淀技术在全基因组水平上筛选LNCaP、LNCaP-AI细胞中的雄激素受体结合位点,联合高通量测序技术寻找雄激素受体靶基因。采用RT-PCR法检测并比较LNCaP、LNCaP-AI细胞中雄激素受体差异靶基因表达水平。结果LNCaP、LNCaP-AI细胞中分别发现9021、4949个基因组测序数据富集区域,其中4143、2380个落在雄激素受体结合位点,将这些位点定位到基因组后分别得到2796、1854个雄激素受体相关基因(相同的基因有789个)。多数靶基因集中在肌动蛋白细胞骨架的调节、紧密连接、血管平滑肌收缩信号通路;LNCaP与LNCaP-AI细胞的差异靶细胞通路为黏着斑通路。从LNCaP与LNCaP-AI细胞测序得到的雄激素受体差异靶基因中筛选出富集程度较高的雄激素受体差异靶基因2个,即LIFR、PSMA6。LNCaP-AI细胞中LIFR、PSMA6 mRNA表达水平均明显高于LNCaP细胞(均P<0.05)。结论LIFR、PSMA6为PC细胞核内雄激素受体靶基因。

植物三维染色质构型研究进展

染色质在细胞核内的缠绕、折叠及其在细胞核内的空间排布是真核生物染色质构型的主要特征。在经典DNA探针荧光原位杂交显微观察的基础上,基于新一代测序技术的Hi-C及ChIA-PET染色质构型捕获技术已经被广泛应用于动物及植物细胞核染色质构型的研究中,并以新的角度定义了包括:染色体(质)域(chromosome territory)、A/B染色质区室(compartment A/B)、拓扑偶联结构域(topological associated domains,TADs)、染色质环(chromatin loops)等在内的多个更为精细的染色质构型。利用以上两种主流技术,越来越多的植物物种染色质构型特征被鉴定、分析和比较。本文系统分析和总结了近年来以植物细胞为模型的细胞核染色构型领域取得的重要成果,包括各级染色质构型特征的组成、建立机制和主要影响因素等。在此基础上,分析了目前研究植物染色质构型技术的瓶颈和突破性的技术进展,并对后续研究主要关注的问题和研究内容进行了展望,以期为相关领域的研究提供更多的理论参考和依据。

心肌肥大基因差异表达及染色质开放性的高通量测序

目的运用转录组测序(RNA-seq)和染色质开放性测序技术(ATAC-seq),探讨心肌肥大发生后基因差异表达以及特征基因开放性。方法将12只小鼠随机分为心肌肥大组和对照组(各6只),分别腹腔注射血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)和生理盐水。应用超声和免疫组化方法检测心肌肥大和纤维化程度,RNA-seq、实时荧光定量PCR(qPCR)方法检测并验证基因的表达,ATAC-seq方法检测染色质开放性。结果与对照组比较,心肌肥大组心肌发生肥大和纤维化。高通量测序技术获得与心肌功能相关的差异表达基因,qPCR检测显示marker基因的表达量和染色质开放水平均较对照组增高。结论心肌肥大后,基因的转录表达和染色质开放性皆发生变化,尤其是marker基因。

对于核小体定位检测方法的比较研究

在真核细胞中,核小体是组成染色质的基本结构单位,是由DNA紧密缠绕在组蛋白八聚体上所形成的一个复合体结构。而DNA与组蛋白的结合并不是固定不变的,没有核小体结合的DNA区域易于各种调节蛋白的接近与结合。因此人们怀疑核小体的定位与基因的转录调节之间存在某种内在联系。对现行的核小体定位的检测方法进行了归类,并对其优缺点进行了分析整理。对更深入的探索核小体定位检测方法的应用有一定意义。

染色质转座酶可及性测序及其在木本植物中的应用前景

染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq)是2013年在人类免疫细胞中建立的用于研究表观遗传调控的重要技术。该技术已在人类及小鼠等模式动物的基因组调控元件鉴定、转录因子结合位点识别及转录调控机制的解析等研究领域发挥了重要作用。然而,ATAC-seq技术在植物领域中的研究应用还处于起步阶段,相关研究主要集中在拟南芥和水稻等模式植物中。笔者主要概述了ATAC-seq技术在植物中的应用,包括染色质可及性图谱绘制、抗逆机制解析、表观修饰鉴定及调控元件识别等领域的研究进展,并进一步阐述了ATAC-seq在木本植物中的应用潜力,以推动ATAC-seq技术在木本植物表观基因组学研究中的应用。

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。

利用ChIP-seq/双荧光素酶报告基因技术验证PPARγ2的靶向基因MYH7

为验证2型过氧化物酶体增殖激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptorγ_(2),PPARγ_(2))对编码β-肌球蛋白重链(β-myosin heavy chain,β-MHC)基因MYH7的靶向调控机制及其结合位点,本研究将pTT5空载体和pTT5-3flag-PPARγ_(2)质粒分别转染小鼠心肌细胞(mouse cardiac myocytes,MCM),RT-qPCR和Western blot检测MYH7和PPARγ_(2)的表达情况;利用染色质免疫共沉淀技术(chromatin immunoprecipita-tion,ChIP)特异性富集并纯化MCM中可与PPARγ_(2)结合的DNA片段,通过高通量测序技术(high-throughput sequencing,HiSeq)检测和分析可直接与PPARγ_(2)结合的基因。采用生物信息学软件预测PPARγ_(2)结合于靶标基因MYH7的启动子区,并将预测到的转录因子结合位点和相应的突变位点分别插入pgl3-basic载体的萤火虫荧光素酶基因上游,构建野生型和突变型荧光素酶报告质粒,再分别与pcDNA3.1载体、pcDNA3.1-PPARγ_(2)质粒和海肾荧光素酶基因载体pRL-TK共转染293T细胞,检测荧光素酶相对活性。实验结果表明:ChIP-seq初步验证了MYH7是PPARγ_(2)直接调控的可能靶向基因;经基因测序验证MYH7野生型和突变型荧光素酶质粒(pgl3-basic-MYH7-WT、pgl3-basic-MYH7-mut)构建成功;双荧光素酶报告基因检测显示,与MYH7-WT+pcDNA3.1组的相对荧光素酶活(0.366±0.021)相比,MYH7-WT+pcDNA3.1-PPARγ_(2)组的相对荧光素酶活性(2.477±0.212)增强,差异具有统计学意义(P<0.001);与MYH7-WT+pcDNA3.1-PPARγ_(2)的相对荧光素酶活(2.477±0.212)相比,MYH7-mut+pcDNA3.1-PPARγ_(2)组的相对荧光素酶活性(2.677±0.201)无明显变化(P>0.05)。本研究通过ChIP-seq/双荧光素酶报告基因技术初步验证PPARγ_(2)能够直接结合MYH7的启动子区域并靶向正调控MYH7基因的表达。