染色质三维构象在精子发生中的研究进展

染色质是调节生物体遗传的重要物质,是维持细胞有序表达基因及蛋白质的重要载体。随着科学技术的不断进步,许多研究通过染色质构象捕获技术(High-Through Chromosome Conformation Capture,Hi-C)对染色质内部结构进行解析,对染色质区室、染色质疆域等有了更清晰的认识。在哺乳动物的精子发生过程中,染色质结构的改变对基因调控等起到了重要作用。精子发生是精原细胞增殖分化形成精子的过程,包括精原细胞的自我更新与分化、精母细胞的减数分裂以及精细胞的变形。本文主要阐述染色质三维构象捕获技术及其衍生技术、染色质的层级结构、精子发生过程中染色质三维构象变化的前沿进展,为精子发生的机制研究提供新思路。

全反式维甲酸调控K562细胞红系分化的表观遗传机制

全反式维甲酸(ATRA)是早幼粒细胞分化的有效诱导剂,其对红系分化过程的作用尚不完全清楚。为研究ATRA在红系分化进程中的作用及其表观遗传调控机制,本文以诱导白血病细胞K562向红系分化为模型,对ATRA干扰红系分化过程的调控机制进行研究。首先利用血红素(he-min)诱导K562细胞向红系分化;流式细胞术结果显示,ATRA影响细胞向红系分化过程中的谱系变化,阻滞细胞分化进程;ATRA处理分化中的细胞后,红系分化相关基因表达水平降低;而通过3C、FAIRE和ChIP技术对其中的表观遗传机制进行探究发现,ATRA处理细胞后,β-珠蛋白家族基因座位内的染色质可及性降低,LCR与其靶基因启动子之间的相互作用频率降低;而基因座位染色质可及性降低导致了红系相关转录因子GATA1、LDB1、LMO2和TAL1在LCR及珠蛋白家族基因座位的启动子区的富集频率降低。上述结果表明,ATRA处理分化中的细胞导致红系分化相关基因的染色质可及性降低,更加封闭的染色质结构阻碍了LCR招募转录因子与基因启动子区的结合,进而抑制β-珠蛋白家族基因表达,这种动态的变化过程阐明了ATRA调控红系分化的表观遗传机制。

染色质构象捕获及其衍生技术

染色质的构象在基因表达调节方面起重要作用.介绍了染色质构象捕获、环状染色质构象捕获、3C碳拷贝、ChIP-loop、ChIA-PET和Hi-C等技术的基本原理及发展历程,对影响实验结果准确性的主要因素进行了分析.目的是为在三维层面研究基因的表达调控介绍新的研究手段,为功能研究提供新思路,也为相关技术的应用提供理论参考.

基于染色质交互数据的基因组组装方法

伴随着高通量DNA测序技术的不断推陈出新和价格持续下调,如何将scaffolds定位于染色体逐渐成为完整参考基因组获得的关键。高通量染色质构象捕获技术(High-throughput chromosome conformation capture,简称Hi-C)的出现为基因组组装过程中scaffolds快速锚位提供了契机。相比于传统的基因组组装方法,基于染色质交互组装基因组的策略实验操作简易、实验和时间成本较低、正确率及分辨率高,在基因组相对复杂的多倍型和高度杂合的物种中有着更大的应用前景。但由于技术本身的限制,该方法还存在分辨率、背景噪声等问题需要解决,有待进一步改进和提高。

染色体构象俘获技术及其研究进展

真核生物中远距离的调控元件往往通过相互作用形成复杂的染色体相互作用网络,对基因的表达进行三维调节,染色体构象俘获是研究染色体相互作用的有力工具。简要综述了染色体构象俘获技术的基本原理及其研究进展,并对相关技术存在的问题进行了分析,对发展趋势进行了展望。

染色体构象捕获技术在造血分化调控研究中的进展

最新研究显示基因组空间结构对转录调控起着关键的作用。以造血分化过程为例,三维调控网络能更真实、精确地呈现造血特异的关键转录因子调控的组织方式和动态过程。革新的染色体构象捕获技术的发展和延伸为解析不同染色体间的调控元件、同一染色体内的不同调控元件以及核内染色质功能性组分之间的转录调控的空间结构提供了研究手段。本文详细介绍了染色体构象捕获技术和在此基础上衍生的高通量组学技术的发展,以及这些技术在造血分化过程中的应用。

β-珠蛋白基因远程相互作用元件的筛选与功能性分析

目的:研究表明β-珠蛋白基因在发育过程中呈现选择表达的转换机制,其上游的基因座位点控制区(LCR)调控了β-珠蛋白基因家族的表达模式。为了深入探究β-珠蛋白基因表达调控的分子网络,本文对其他可能参与调控β-珠蛋白基因表达的远程调控元件进行筛选,对β-珠蛋白基因动态调控转换机制进行深入研究。方法:早幼粒细胞经全反式维甲酸诱导分化,以β-珠蛋白基因启动子区及LCR作为环形染色体构象捕获(4C)技术分析的靶位点,通过测序技术与调控元件分析结合,在全基因组筛选与β-珠蛋白家族基因座位发生相互作用关系的位点。结果:根据4C测序结果,筛选出与HBD启动子区及LCR存在相互作用关系的位点。通过染色体构象捕获(3C)验证,结果与测序结果一致。通过甲醛辅助分离调控元件技术及Epiregio在线网站对调控元件功能性分析,结果表明筛选位点AC105129.4、AL354707.17、AC078785.22及AC021646.35均为潜在的参与β-珠蛋白基因调控元件。结论:4C筛选位点与锚定位点相互作用表明了β-珠蛋白家族基因座位在细胞核内复杂的空间组织形式。

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。

Screening and functional analysis of the long-range interaction elements ofβ-globin genes

Objective:Studies have shown thatβ-globin gene presents a selective expression transformation mechanism during development,and its upstream locus control region(LCR)regulates the expression pattern ofβ-globin gene family.To further explore the molecular network ofβ-globin gene expression regulation,other long-range regulatory elements that may be involved in the regulation ofβ-globin gene expression were screened and the dynamic regulation and transformation mechanism ofβ-globin gene was deeply studied.Methods:Promyelocytic cells were induced to differentiate by all-trans retinoic acid.β-globin gene promoter region and LCR were used as the target sites for circular chromosome conformational capture(4C)analysis.Through sequencing and regulatory element analysis,the sites interacting withβ-globin family loci were screened in the whole genome.Results:According to the results of 4C sequencing,the sites that interact with HBD promoter region and LCR were screened.Verified by chromosome conformational capture(3C),the results were consistent with those of sequencing.The functional analysis of regulatory elements by formaldehyde-assisted separation regulatory elements and Epiregio online website showed that the screening sites AC105129.4,AL354707.17,AC078785.22 and AC021646.35 were all potential regulatory elements involved inβ-globin gene.Conclusion:The interaction between 4C screening site and anchor site showed the complex spatial organization ofβ-globin family loci in the nucleus.

染色质相互作用研究进展

真核生物的染色体如何发生复杂构象变化并组织成复杂的高级结构,仍是一个研究热点。染色体的这些结构特征和构象变化可通过了解染色质位点间的相互作用,即利用染色体(质)构象捕获(3C)及其衍生技术,如4C、5C、Hi-C和ChIA-PET等技术来研究。利用这些技术,已得到一些有关染色质相互作用与基因表达调控和细胞核内染色体组织结构的重要信息。如利用ChIA-PET技术,发现雌激素受体、RNA聚合酶Ⅱ、CTCF等一些转录因子都参与了染色质的长程相互作用,并同时在基因组水平鉴定了特定细胞中的一些相应的有调控潜能的DNA元件及其可能的调控基因。利用Hi-C及其他3C衍生技术,不但表明染色体在细胞核内占据着不同的染色体领域,而且发现染色体上有次级结构域如染色体区隔和染色体拓扑联合域。随着相关技术的完善和更多数据的获得,分析和整合这些数据将对生物信息学家提出更高的要求,同时也可以帮助我们更进一步了解染色体三维构象变化在不同环境下的变化规律,以及在基因转录调控、DNA复制和修复等重要过程中的作用。

基于密度聚类的染色质拓扑相关结构域识别方法

高通量染色质构象捕获(Hi-C)技术的快速发展为染色质结构分析提供了丰富的基因组位点间交互作用数据,但目前基于Hi-C数据的已有拓扑相关结构域(TAD)识别方法存在准确率低、参数敏感等问题。在此背景下,本文设计并实现了一种基于空间密度聚类的TAD识别方法。该方法首先对原始Hi-C数据进行预处理,得到归一化后的Hi-C接触矩阵数据;然后计算位点之间的距离矩阵,基于位点的核心距离和可达距离生成可达性图,并提取聚类簇;最后基于聚类结果和TAD提取边界。该方法能够识别出内聚性更高的TAD结构,且TAD边界处富集了更多的ChIP-seq因子。实验结果表明,本文方法在TAD识别中更准确,更具有现实意义。

利用环形染色体构象捕获技术对Bcl11b基因座位在细胞核内空间组织的研究

环形染色体构象捕获(4C)技术实现了在全基因组范围内捕获与4C靶位点发生相互作用的基因座位,因而通过4C相关技术可以进一步研究靶基因座位在细胞核内的空间组织形式。该文以Bcl11b基因座位作为4C分析的靶位点,通过优化4C分析的反向巢式PCR扩增条件,实现4C分析PCR的高效扩增;并通过有限克隆筛选与普通测序分析相结合的方法,在全基因组范围内捕获到一些与Bcl11b基因座位发生潜在相互作用的基因座位。这些基因座位与靶位点间的相互作用既有发生在相同染色体内的,也有发生在不同染色体之间的。这些基因座位间的相互作用表明了Bcl11b基因座位在细胞核内复杂的空间组织形式。

染色质构象解析技术——Hi-C及染色质构象信息提取

真核生物染色质在核内的空间组织形式能影响DNA的空间分布,因而对基因转录、DNA复制等生物学过程具有调节作用。目前对这种空间上高度有序的基因组结构的认识还是粗糙的、碎片式的和不完整的。近年,利用染色质构象捕获技术发展起来的衍生技术——Hi-C技术,是一种研究全基因组范围的染色质相互作用以及探明全基因组的三维结构的分析技术。利用Hi-C技术能够对染色质内部或所有染色质之间的相互作用进行精细分析,从而把基因表达调控引入到空间的、全局性的研究层面,为全面解析与DNA有关的生物学过程的机理开启新的契机。本文主要阐述染色质构象解析技术Hi-C的实验原理、数据处理以及染色质构象信息提取,包括染色质内相互作用情况分析、全基因组基因活性分类、拓扑关联结构域(TAD)和染色质环(chromatin loop),介绍染色质构象信息与基因调控研究方面的国际前沿进展。

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。

染色体构象捕获技术及其衍生高通量技术发展与展望

细胞核内染色质的三维空间组织功能性地调控基因组的表达。染色质动态的三维组织研究是表观遗传学的一个重要研究领域,而染色体构象捕获(chromosome conformation capture,3C)技术是研究三维基因组结构与功能的重要技术手段。随着该技术在表观遗传学研究领域的广泛应用,3C衍生出的相关技术有了快速的发展。本文将对近年来发展起来的染色体相互作用的相关研究技术及其发展历程和基本原理等作介绍与展望,为三维基因组研究提供技术参考,为未来相关技术的发展提供新思路。

染色质高级结构——基因组调控的重要形式

真核生物的染色体高度致密,且在细胞核中形成多种构象。近年来发展起来的染色体构象捕获技术及其衍生技术,使得在分子水平上研究染色质结构与功能成为可能。越来越多的证据表明,染色质高级结构的形成并不是随机的,而是参与调控基因表达的一个关键因素。主要介绍基于染色体构象捕获技术发展出的不同技术,并总结目前关于染色质高级结构的特征与功能的知识。