前言

??現(xiàn)在想來接觸HiC的數(shù)據(jù)也有幾個月的時間了，就想著總結(jié)一下關(guān)于HiC的一些特定名詞，下面一張圖基本完美詮釋了基因組的3D結(jié)構(gòu)以及分析時經(jīng)常見到的名詞：

轉(zhuǎn)載內(nèi)容

??沒有想到已經(jīng)先一步做好了總結(jié)，而且做的還挺好，那在下就接著博主的分享精神直接來轉(zhuǎn)載《一文讀懂三維基因組》。以下為轉(zhuǎn)載內(nèi)容：

常見名詞

1. 細(xì)胞核 Nucleus
2. 染色質(zhì)疆域 Chromosome Territory, CT
3. 染色質(zhì)區(qū)室 A/B compartments
4. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域 Topologically associating Domains, TAD
5. 層關(guān)聯(lián)域 Lamina Associating Domains, LAD
6. 核仁關(guān)聯(lián)域 Nucleolar Associating Domains, NAD
7. 染色質(zhì)環(huán) Chromatin loops

??每個人體內(nèi)都有著兩米長的DNA，它是如何緊密折疊在直徑 10 微米小的細(xì)胞核內(nèi)。而且還要在極度壓縮的情況下，精確地調(diào)度數(shù)量龐大的調(diào)控元件去表達(dá)兩萬多個基因。如果其中一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，隨之而來的就是遺傳疾病，甚至癌癥。

細(xì)胞核

??首先回顧下幼兒園學(xué)到的染色質(zhì)主要存儲容器——細(xì)胞核，它與三維基因組密切相關(guān)的三個結(jié)構(gòu)：

• 核膜 Nuclear Envelope：用來包裹染色質(zhì)，控制物質(zhì)進(jìn)出
• 核纖層 Nuclear Lamina：位于核膜的內(nèi)表面的纖維網(wǎng)絡(luò)，支持核膜，錨定染色質(zhì)，與核骨架相連，參與細(xì)胞周期解離和重建
• 核仁 Nucleolus： 主要存儲合成 rRNA，存儲裝配核糖體

染色質(zhì)疆域(Chromosome Territory, CT)

??在真核生物的基因組中，細(xì)胞核內(nèi)的染色質(zhì)分布并不是隨機的，為了跨越較大的基因組距離去互相作用，比如增強子和啟動子的互作，這些密切接觸的染色質(zhì)會靠的更近，這就是染色質(zhì)疆域。大概就像這樣：

我們可以使用染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)（3C，4C，Hi-C，HiChIP）來獲取到3D基因組。
在二維視角下的染色質(zhì)疆域

在三維視角下的染色質(zhì)疆域

目前，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域有一定的規(guī)律：

• 染色體的位置相對不變：這種相對不變會持續(xù)到有絲分裂開始。比如大型的，基因貧乏的染色體通常位于核層附近的外圍，而較小的，富含基因的染色體則更靠近核中心。
• 染色質(zhì)的位置會因細(xì)胞類型不同而改變：例如，X染色體已顯示在肝細(xì)胞中比在腎細(xì)胞中更頻繁地定位在外圍
• 同源染色體在細(xì)胞間期傾向于彼此分離

為了更方便的研究，進(jìn)一步把這些互作部分劃分為：

染色質(zhì)區(qū)室(A/B compartments)

??使用 Hi-C 發(fā)現(xiàn)，整個基因組被分割為兩個空間區(qū)室，分布標(biāo)記為 A，B 染色質(zhì)區(qū)，往往區(qū)室內(nèi)互作頻繁，而區(qū)室間互作較少。

• A compartments：開放的染色質(zhì)，表達(dá)活躍，基因豐富，具有較高的GC含量，包含用于主動轉(zhuǎn)錄的組蛋白標(biāo)記，通常位于細(xì)胞核的內(nèi)部。
• B compartments：關(guān)閉的染色質(zhì)，表達(dá)不活躍，基因缺乏，結(jié)構(gòu)緊湊，含有基因沉默的組蛋白標(biāo)志物，位于核的外圍。它們主要由LAD組成，包含晚期復(fù)制起點。
  ??在生物信息分析中，我們通過計算染色體內(nèi)部互作的相關(guān)性來區(qū)分兩種不同的區(qū)室。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域(Topologically associating Domains, TAD)

??在染色質(zhì)區(qū)室中，我們還會發(fā)現(xiàn)互相作用相對頻繁的基因組區(qū)域，這些就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域 TAD。

??一般這些區(qū)域在不同的哺乳動物的不同細(xì)胞中都很保守，并且高度富集 CTCF 和 粘附蛋白。

??通過計算基因互作矩陣，我們會得到一個類似上圖的大三角形，可以看到上面有幾個深紅色的三角，代表內(nèi)部高度互作域被定義為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域，一般是400-800kb較穩(wěn)定的復(fù)制單元。
TAD 的邊界：

• 通過與上下游的互作頻率趨近于0的DI值界定TAD邊界
• 邊界中富含絕緣子蛋白 CTCF 結(jié)合位點、活躍轉(zhuǎn)錄標(biāo)記，如H3K4me3及H3K36me3
• 富含結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)合位點，與管家基因，轉(zhuǎn)運RNA基因和短間隔核元素（SINEs）相關(guān)的表觀遺傳標(biāo)記。

??目前研究最多的是，TAD通過限制每個TAD的增強子-啟動子相互作用來調(diào)節(jié)基因表達(dá)，但是TAD詳細(xì)功能還有待發(fā)現(xiàn)。
??盡管許多蛋白質(zhì)復(fù)合物，DNA 元件與TAD邊界相關(guān)，但TAD形成的基礎(chǔ)機制也很復(fù)雜，尚未完全闡明。
??目前認(rèn)可的模式是，以CTCF蛋白為核心，在黏附蛋白的幫助下，通過loop extrusion模型擠壓形成染色質(zhì)環(huán)，錨定TAD邊界，為TAD的形成提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。此外，TAD 邊界的剛度本身可能會導(dǎo)致 TAD 的形成。
??TAD 可細(xì)分為 sub TAD, 大約長 100kb，sub TAD之間的邊界在不同細(xì)胞組織間具有差異，與細(xì)胞特異性的增強子-啟動子互作有關(guān)。在細(xì)菌中，這種互作結(jié)構(gòu)叫做染色質(zhì)互相作用域(Chromosomal Interacting Domains, CIDs)。

??LAD約占基因組的40％，大小介于40kb至30Mb之間，基因較少。LAD主要由轉(zhuǎn)錄沉默染色質(zhì)組成，富含組蛋白H3K27me3 ，這是異染色質(zhì)的常見翻譯后組蛋白修飾。
??結(jié)構(gòu)性 LAD，constitutive LAD，cLAD：富含AT的異染色質(zhì)區(qū)域，靠近在核纖層上，這些區(qū)域?qū)θ旧w之間的結(jié)構(gòu)形成至關(guān)重要。
??兼性 LAD， facultative LAD，fLAD：具有不同的核纖層相互作用，在不同細(xì)胞中包含不同的被激活或抑制基因，從而導(dǎo)致不同的細(xì)胞類型。

核仁關(guān)聯(lián)域(Nucleolar Associating Domains, NAD)

??NAD占基因組的4％，幾乎具有與LAD相同的所有物理特征。通過對LAD和NAD的序列分析發(fā)現(xiàn)，某些區(qū)域可能在核纖層和核仁間切換。

染色質(zhì)環(huán)(Chromatin loops)

??染色質(zhì)在空間中形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此相距很遠(yuǎn)的染色質(zhì)區(qū)域也可以在三維空間中聚集在一起。

??據(jù)推測大約50％的人類基因通過染色質(zhì)環(huán)化過程參與長距離的染色質(zhì)相互作用。我們可以基于基因互作矩陣，來查看互作頻率相對周圍較強的區(qū)域，在下圖中用藍(lán)色圓圈標(biāo)記，這些位置就是為染色質(zhì)環(huán)區(qū)域。

??這種結(jié)構(gòu)可以使在線性距離很遠(yuǎn)的元件得以相遇，以此來調(diào)控生命活動，比如，從空間上拉近啟動子和增強子的距離，促使基因的轉(zhuǎn)錄起始。
??這個過程中，接觸到啟動子的增強子元件可以募集大量蛋白質(zhì)復(fù)合物，例如介導(dǎo)復(fù)合物，PIC和細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子。另外，許多因素也會促進(jìn)該過程，包括結(jié)構(gòu)蛋白（主要是CTCF和Cohesin），共激活因子和ncRNA等。

參考

• The new cytogenetics: blurring the boundaries with molecular biology
• Regulation of disease-associated gene expression in the 3D genome
• Chromatin Domains: The Unit of Chromosome Organization
• Minor Loops in Major Folds: Enhancer–Promoter Looping, Chromatin Restructuring, and Their Association with Transcriptional Regulation and Disease
• Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome
• A 3D map of the human genome at kilobase resolution reveals principles of chromatin looping
• The Three-Dimensional Organization of Mammalian Genomes
  Enhancer activation requires trans-recruitment of a mega transcription factor complex
• https://foo-lab.com/services/chromatin-architecture-epigenetics/
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/338839481
• https://zhenglei.blog.csdn.net/article/details/111691514