作者：Resther
審稿：童蒙
編輯：amethyst
引言
染色質(zhì)主要是由蛋白質(zhì)和DNA組成，其中DNA的序列信息對(duì)染色質(zhì)構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)有重要作用。高精度的染色質(zhì)全基因組范圍的相互作用，可以揭示染色質(zhì)精細(xì)的結(jié)構(gòu)特征，有助于探究結(jié)構(gòu)建立和功能實(shí)現(xiàn)背后的機(jī)理。
從出生到衰老的過(guò)程中，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是否遵循一定的變化規(guī)律呢？研究者從序列區(qū)段的角度進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，加深了人們對(duì)生命體系的理解。
1.隔間結(jié)構(gòu)的形成
1.1什么是隔間結(jié)構(gòu)？
2009年，Erez Lieberman-Aiden等人首次使用Hi-C技術(shù)研究人類染色質(zhì)組，得到整個(gè)染色質(zhì)組不同位點(diǎn)之間的相互作用【1】。
對(duì)上圖的接觸矩陣A進(jìn)行距離歸一化處理后得到矩陣B，再計(jì)算相關(guān)矩陣C，我們可以看到明顯的“格子”圖案，用主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)分出兩種特征元素，進(jìn)一步分析確認(rèn)每個(gè)染色質(zhì)區(qū)域是由兩種不同性質(zhì)的隔間結(jié)構(gòu)組成：開放隔間(compartment A)和封閉隔間(compartment B)。開放隔間一般有更多基因、有更高的表達(dá)量、更高的染色質(zhì)可接近度，是一個(gè)開放、可接近的、活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)間，而封閉隔間則相反。
1.2隔間結(jié)構(gòu)是否保守？
拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域(TAD)在不同細(xì)胞類型間具有一定的保守性，那么隔間結(jié)構(gòu)呢？當(dāng)保守性的容錯(cuò)為1時(shí)，統(tǒng)計(jì)小鼠和人的不同分化細(xì)胞，得到各自的保守比例在71.6%和61.6%，說(shuō)明隔間結(jié)構(gòu)也具有一定的保守性【2】。隔間結(jié)構(gòu)其實(shí)對(duì)應(yīng)著活躍的常染色質(zhì)(euchromatin)和不活躍的異染色質(zhì)(heterochromatin)的空間分離。那么這種保守性的來(lái)源是什么呢？
1.3兩種序列區(qū)段
將序列比對(duì)到三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)隔間A中富集CpG。根據(jù)GC含量的不同，研究者在哺乳動(dòng)物的基因組中發(fā)現(xiàn)有等容區(qū)域(isochores)，這些等容區(qū)域與結(jié)構(gòu)性質(zhì)、生物性質(zhì)有關(guān)。然而根據(jù)CGI密度能更好地劃分序列的斑塊性(mosaicity),得到CGI富集的森林(forest)區(qū)域與CGI稀疏的草原(prairie)區(qū)域【3】。這兩類區(qū)域在基因、表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄性質(zhì)、結(jié)構(gòu)上都明顯不同，而且比isochores能更好地區(qū)分各種性質(zhì)。
(a)CGI、基因、組蛋白修飾、Pol II結(jié)合位點(diǎn)和DNase超敏感區(qū)位點(diǎn)沿序列的分布；(b)森林與草原區(qū)域的基因表達(dá)水平；(c)二者的結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異。
1.4基于序列性質(zhì)的相分離
在保守的隔間區(qū)域，研究者發(fā)現(xiàn)隔間A主要是由forest組成，隔間B則是由prairie組成。因此，這種基于序列的forest、prairie區(qū)域間的性質(zhì)差異所產(chǎn)生的相分離，可能是隔間保守性的來(lái)源，而相分離的驅(qū)動(dòng)力可能是prairie的“沉淀”，因?yàn)閜rairie的可及性較低，組蛋白占據(jù)較多，組蛋白與DNA骨架的電性中和，使染色質(zhì)的極性減弱，因此在水溶液的環(huán)境中容易分相。
1.5其他研究的支持
不同序列特征的DNA混合物的粗粒化模擬實(shí)驗(yàn)表明，TA富集的DNA鏈會(huì)自發(fā)形成穩(wěn)定的束狀結(jié)構(gòu)，而CG富集的DNA鏈仍處于分散狀態(tài)，這一實(shí)驗(yàn)支持了DNA序列能自發(fā)分相成不同核苷酸組成的區(qū)域【4】。
另外，最近Mirny等人也發(fā)現(xiàn)異染色質(zhì)之間的吸引力對(duì)于隔間化、活躍區(qū)域和非活躍區(qū)域的相分離是非常關(guān)鍵的，這一點(diǎn)和prairie的分離是一致的。這種異染色質(zhì)驅(qū)動(dòng)的隔間化，與Schwarzer等人提出的不依賴于cohesion的染色質(zhì)分相，其實(shí)本質(zhì)都是序列驅(qū)動(dòng)的相分離。
2.熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的序列相分離
2.1不同過(guò)程中的序列相分離
在胚胎發(fā)育中，不同序列區(qū)段間的空間分離加劇，這一點(diǎn)與不同性質(zhì)的隔間之間的相互作用在發(fā)育晚期比早期更少（即隔間AB之間更加分離）是一致的。
對(duì)于分化過(guò)程，分化細(xì)胞和多能性細(xì)胞相比，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更加分離，尤其是prairie區(qū)域，導(dǎo)致隔間B或異染色質(zhì)的增加。這一點(diǎn)和小鼠神經(jīng)發(fā)育中隔間B中相互作用增加、A中相互作用減少是一致的。
衰老細(xì)胞中的染色質(zhì)同樣表現(xiàn)出更強(qiáng)的分相和特別的長(zhǎng)程聚集，尤其是prairie。Chandrad等人也觀察到大多數(shù)GC-poor的isochores在衰老中也丟失了局域相互作用，變?yōu)檫h(yuǎn)程作用，這和衰老相關(guān)異染色質(zhì)域(SAHF)的出現(xiàn)有關(guān)，也與prairie的長(zhǎng)程聚集是一致的。
2.2相分離在表觀遺傳性質(zhì)上的表現(xiàn)
除了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加分相，表觀遺傳特征也表現(xiàn)出區(qū)域間差異增大的趨勢(shì)。Forest和prairie區(qū)域的遠(yuǎn)海（就是CGI區(qū)域4kb之外）DNA甲基化差異，在一定程度上能反映染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的分離程度。這種差異從合子到ICM，以及從多能性細(xì)胞到分化細(xì)胞都是增加的趨勢(shì)。
綜上，從出生到老，染色質(zhì)整體上經(jīng)歷了分相加強(qiáng)的變化，這一變化的驅(qū)動(dòng)力可能是基于序列特征的相分離。
3.細(xì)胞特異性相關(guān)的基于序列的混相
一個(gè)有趣的問(wèn)題是，在這種整體分相的趨勢(shì)下，不同類型的細(xì)胞是如何建立起細(xì)胞特異性的呢？
3.1prairie區(qū)域可能是特異性實(shí)現(xiàn)的潛力區(qū)
前人的研究表明，組織特異性基因傾向于集中分布在GC-poor的區(qū)域。而prairie區(qū)域中所含基因的表達(dá)量變異系數(shù)比f(wàn)orest中的基因更大，表明prairie區(qū)域包含了更多易于調(diào)控的基因，因此可能在細(xì)胞分化中發(fā)揮了重要作用。
3.2混相有利于特異性的實(shí)現(xiàn)
與細(xì)胞特異性比較有關(guān)的是一些特異性的相互作用，比如增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的相互作用。雖然有很多證據(jù)表明拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（TAD）有助于增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間相互接觸，不過(guò)在分化過(guò)程中，TAD的insulation score是減小的，表明這個(gè)過(guò)程伴隨著TAD間相互作用的建立。而且造血細(xì)胞的高精度啟動(dòng)子的相互作用圖譜表明，有三分之一的啟動(dòng)子的作用是跨TAD邊界的。研究者還發(fā)現(xiàn)，TAD的形成阻礙了compartment的分離，當(dāng)去掉cohesin時(shí)，TAD消失，隔間增強(qiáng)，而增加cohesin時(shí)，隔間化被抑制，由此推測(cè)TAD的形成可能“混合”不同類型的compartment結(jié)構(gòu)，減弱了整體的隔間化【5】。
此外，目前分析表明，分化中forest和prairie區(qū)域的阻隔分?jǐn)?shù)在減小，prairie中的組織特異性基因傾向位于A-B邊界附近，有利于相混合。
這些證據(jù)表明，TAD的形成使得不同DNA區(qū)域的contact形成，減弱了分相和隔間化。而且特異性位點(diǎn)的分相程度比整體要小，表明更多的sequence-type間的長(zhǎng)程相互作用可能有利于分化的建立。
3.3特異性實(shí)現(xiàn)的可能方式
這種混相帶來(lái)的細(xì)胞特異性，可能是通過(guò)與活躍的forest區(qū)域相互作用，來(lái)激活prairie上的組織特異性基因。研究者從在兩個(gè)方面觀察到這種混相變化。在隔間尺度上，位于從compartment B變化到A的prairie區(qū)域的基因，表達(dá)量升高，功能上也表現(xiàn)出細(xì)胞特異性。在局域結(jié)構(gòu)上，位于forest環(huán)境的prairie基因也具有組織特異性的功能。這種混相變化也可能是隔間結(jié)構(gòu)不保守的原因。
總結(jié)
基于序列的不均勻性，研究者分出的不同性質(zhì)區(qū)段，觀察染色質(zhì)在不同生命過(guò)程中的結(jié)構(gòu)改變，并提出了基于序列的分相與混相模型。在發(fā)育、分化和衰老過(guò)程中，染色質(zhì)整體呈更分相的趨勢(shì)，同時(shí)伴隨著細(xì)胞特異性的混相變化【6】。
相信大家現(xiàn)在對(duì)于DNA序列本身的斑塊性質(zhì)有了認(rèn)知，這一性質(zhì)在染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、分相與混相變化中起著基本性的重要作用。那么在我們嘗試分析發(fā)育、分化以及癌變過(guò)程時(shí)，將不同性質(zhì)的序列分開思考，基因雖少、特異性卻強(qiáng)的prairie區(qū)域也許會(huì)提供給我們更多的發(fā)現(xiàn)！
最后希望這篇分享帶給大家一些啟發(fā)。之后也會(huì)以更多新思路、新方法的文章與大家分享。生命其實(shí)是最復(fù)雜又有趣的體系，希望走在生命探索之路的我們也更多分享、討論，激發(fā)靈感的火花！
參考文獻(xiàn)
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