三維基因組 | 3D Genome | 3C | 染色質構象捕獲 | Chromosome Conformation Capture | Capture Hi-C

三維基因組 | 3D Genome | 3C | 染色質構象捕獲 | Chromosome Conformation Capture | Capture Hi-C | 簡介

本文轉載自查看原文 2021-03-01 17:12 616 3D genome

3C簡介

核心理念就是把真核細胞核里的DNA三維折疊結構給測序出來，一個最經典的模型就是遠距離enhancer可以促進轉錄。

真核生物細胞核中的染色質通過折疊成高度動態、復雜的高級結構，調控基因的轉錄、復制，以及損傷修復等重要功能。理解染色質在細胞核內如何折疊，基因組的三維空間結構如何調控基因轉錄、復制和修復等生物學功能，以及探索核染色質在遺傳、發育、分化、癌變等生物學過程中的變化規律是當前三維基因組學（Three-Dimensional Genomics）研究領域的主要內容。

核心的技術就是3C（Chromosome Conformation Capture）實驗技術。

染色質構象首先被甲醛交聯固定；隨后，基因組被限制性內切酶消化；存在相互作用的染色質由於空間接近，在重新連接酶消化后的基因組時，存在相互作用的染色質將被連接到一起；解交聯純化DNA后，針對感興趣的兩個特定基因組區域分別設計引物，並對重連接產物進行PCR擴增；最后通過PCR條帶的強度，可對這兩個區域的相互作用情況進行定性或定量評估。

一個關鍵的發現是TAD（Topological Associated Domains）

在每個染色體內部還存在更小尺度（平均約800 kb）的拓撲相關結構域（Topological Associated Domains, TAD），TAD內部的DNA元件之間形成了較為緊密的相互作用，而不同TAD之間的相互作用則較弱。相鄰TAD的邊界上結合有染色質結構蛋白，如CTCF蛋白、cohesin蛋白復合體等，這些蛋白起到組織染色質結構並隔離兩個相鄰的TAD之間互作的功能。

比較：

3C技術適用於評估兩個目標區域之間的空間相互作用
4C技術適用於捕獲染色質某一區域與全基因組其他區域間相互作用（一對多）
5C技術適用於同時捕獲染色質多個區域之間相互作用（多對多）

技術類型及區別

看看yue lab網站上的幾種數據：

Hi-C
Virtual Hi-C
ChIA-PET
Capture Hi-C
Compare Hi-C
PLAC-Seq

在Hi-C技術中，限制性內切酶消化后的染色質在末端補平時連入biotin，用於標記重組信號，重組片段通過生物素富集后建庫測序。Hi-C技術可以同時捕獲全基因組染色質間的相互作用。

Hi-C更適用於研究大尺Hi度上的染色質結構，而不適用於研究轉錄調控元件之間的相互作用。

為了更好的捕獲基因組轉錄調控元件之間的遠距離相互作用，結合轉錄調控元件檢測技術的其他染色質構象捕獲方法被提出。這些方法主要包括三類。

第一類，是轉錄相關蛋白介導的染色質相互作用的捕獲技術（Chia-PET，HiChIP，PLAC-seq）。在這類技術中，最早被提出的是阮一駿等開發的嘉PET技術。Chia-PET作為一種可以有效富集蛋白介導的染色質間相互作用的技術。

第二類，是目的探針所在區域的染色質相互作用的捕獲（Capture Hi-C）。這類技術以啟動子捕獲Hi-C技術為代表，根據啟動子區域設計RNA探針，在Hi-C實驗的基礎上加入了一步探針的富集，檢測啟動子探針所在區域的染色質相互作用。

第三類，是基於開放染色質間相互作用的捕獲。

比較

ChIA-PET，HiChIP，PLAC-seq 僅能捕獲某一種蛋白介導的染色質間的相互作用;
Capture Hi-C技術通過特異性探針，捕獲探針所在區域（如啟動子區）染色質間相互作用;
DNase Hi-C雖然可以富集開放染色質之間的相互作用，但是由於DNase I整合效率非常高，高度片段化的染色質之間自連或隨機連接，減少了真實相互作用的捕獲比例.
BL-Hi-C捕獲了10000多個高GC區域的染色質相互作用，這些相互作用大多是CTCF HiChIP及RNAPII HiChIP的子集。

這些技術雖然各有優勢，然而大都依賴目的蛋白，探針序列，酶切偏好。綜上所述，一種不依賴於探針序列及蛋白抗體，用染色質開放程度為富集條件，直接高效富集全基組活躍轉錄調控元件間相互作用的技術需要被開發。

數據下載

下載 Capture Hi-C 數據，用於找cGene

玩玩下面NG里的數據

Accession codes.
Raw data and significant interactions are available in the ArrayExpress database under accession E-MTAB-2323.

可以下載四個文件：

TS5_CD34_promoter-other_significant_interactions.txt       TS5_GM12878_promoter-other_significant_interactions.txt
TS5_CD34_promoter-promoter_significant_interactions.txt    TS5_GM12878_promoter-promoter_significant_interactions.txt

數據格式：

chr bait	start bait	end bait	Symbol	Ensembl Gene ID	expresssion quartile	chr	start	end	raw count	log(observed/expected)
chr16	1300375	1307582	TPSD1-002|TPSD1-001	ENSG00000095917	4	chr16	1276549	1286070	53	15.1072090072489
chr1	1648711	1672992	CDK11A-008|CDK11A-001|CDK11A-003|CDK11A-004|CDK11A-005|CDK11A-009|CDK11A-007|CDK11A-011|CDK11A-202|CDK11A-201|CDK11A-203	ENSG00000008128|ENSG00000215790|ENSG00000226628|ENSG00000227775|ENSG00000244250	na	chr1	1583927	1585571	49	15.088711195213

就是兩個bed文件的cbind，左邊就是TSS region，也有注釋到的基因；右邊就是遠距離的區域。

簡單明了。

更全的數據：http://www.3div.kr/capture_hic

需要用filezilla登陸ftp服務器下載。

Unclicking “Display P/O” interactions will remove Promoter-Other interactions, leaving purple arcs (Promoter-Promoter interactions) only.

可以猜到pp和po的含義