On the existence and functionality of topologically associating domains

Hi-c背景

​ 染色体是有DNA和组蛋白共同组成的，从染色体的一级结构（序列水平上），到四级结构（超螺旋）；细胞的DNA最终被压缩在微小的细胞核之中。随着测序技术的发展，生物基因组中的序列和调控元件的注释信息相继发布，人们发现这些调控元件和基因在基因组中的分布是相对离散的；而这种离散的分布不能够很好的解释生物中基因的复杂调控机制，这也就推动了对于染色体空间结构的研究。

染色体线性结构到loop结构

测定染色体三维空间结构的技术的发展

  1. 3C

    用于测定染色体中特定点到特定点的交互

    using spatially constrained ligation followed by locus-specific polymerase chain reaction (PCR)

  2. 4C

    测定一个点到多个点之间的交互

    Adaptations of 3C have extended the process with the use of inverse PCR (4C)

  3. 5C

    测定多个点到多个点之间的交互

    multiplexed ligation-mediated amplification

  4. Hi-c

    全基因组范围内捕获染色质的交互

Hi-c测序原理

第一篇science

Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome

基本步骤

  • 1.使用甲醛将染色体之间交联的状态进行固定

  • 2.用限制性酶切DNA片段，留下5'粘性末端

  • 3.使用带生物素残基的碱基对5'粘性末端进行填充；形成平末端有利于交联DNA片段之间的连接

  • 4.发生互作的DNA片段在连接处有生物素标记，通过使用链霉素和磁珠对这些交联片段进行富集

  • 5.建好的文库上机测序

染色质交互区域 contact domain

​ 在Hi-c的研究中将染色质的交互分为了以下三种

1.TADs

nature中的TAD介绍

Topological Domains in Mammalian Genomes Identified by Analysis of Chromatin Interactions

TAD

通过定义100Kb的bin去扫描时整个染色体时，出现一些非常高的交互区域，被称为TAD，紧接着一段比较短的片段，这个短片段内的交互戛然而止，因此作者猜想这种交互作用的突然变化，可能是TAD的边界区域，将基因组内的TAD分隔开来。

boundaries区域富集了绝缘子蛋白CTCF，管家基因、tRNA、SINE反转座子等

2. subTADs

随着测序精度的提高，人们发现在TADs区域还存在着更小的亚区，subTAD之间也同样被boundaries分隔，不过隔离的强度弱一些，并且在不同细胞类型中表现出cell-type-dynamic；说明subTADs与TAD相比可能存在一些其他的结构或者功能

TAD与subTAD

3. compartment domains

染色体域的形成假说 Loop extrusion

Corner-dot

某一个点有着显著高的交互作用，相比与周围的其他点。

大多数的角点附近存在能够被CTCT结合的motif，并且大约有60%~90%的motif表现出趋同的方向。

  • 使用基因组编辑技术翻转motif的方向后，破坏了角点和对应的TAD

  • 短时间的降解CTCF蛋白后也会破坏loop 域

角点

Compartmentalization 是染色质域的形成第二种机制

隔室的定义最开始是在1M的Hi-c中定义的，其中包括超长距离的染色体内的交互与染色体间的交互。这种划分将基因组划分成了两种类型

  • A compartments包括一些有活性的转录基因、组蛋白标记

  • B compartments 没有活性的基因和组蛋白标记

在最开始低精度的Hi-c图谱中认为，TADs是嵌套在单个compartments中的，随着精度的提高人们通过对多种有活性和没有活性的compartments进行组合后将染色体分割为6种亚compartments。

  1. TAD + compartment domain: un-nested corner-dot + compartment domain

  2. TAD only: un-nested corner-dot domain only

  3. Compartment domain only: un-nested no-corner-dot compartment domain

  4. Nested subTAD + compartment domain: nested corner-dot compartment domain

  5. Nested subTAD only: nested corner-dot domain only

  6. Compartment domain only: nested no-corner-dot subcompartment domain

三种域之间的比较

通过对 cohesin 进行突变之后：发现compaetments强度增加而TAD与subTAD减少，表明compartments和‘TAD|subTAD’是染色质区域化的两种不同机制

单细胞水平比较TAD和compartment domains

通过显微成像技术，发现单个细胞之间的TAD水平存在差异，也可能是细胞发育状态不一样，TAD水平不同步；但是总体上对boundary的区分还是比较明显的。

在compartments的比较中发现，compartment domains的形成是比较同步的、less random

单细胞TAD

功能上的差异

最终的问题就回到了结构和功能之间的关系了

Evidence to date indicates that TADs and subTAD loop domains, compared with A/B compartments, exhibit a distinct functional connection to gene regulation.

TAD loop 域影响转录的三种机制

  1. 增强子和启动子通过持续性的loop发生直接的交互图a

  2. 弱交互，增强子和启动子位于同一个loop但是没有共同定位在边界处图b

  3. 错误的靶向了其他基因图c

TAD结构与功能

在一些研究中，对TAD结构域的破坏并没有表现出很多基因表达水平上的改变，可能是由于增强子和基因之间的交互距离本身就不是很远。

总结

了解了Hi-c技术的发展和一些专业术语的

  • 从基因组结构到对应的功能model，loop促进增强子和启动子之间的交互

  • subTADs与TAD在不同细胞类型，不同发育时期的差异

  • 动物TAD loop的异常往往导致基因表达的异常

  • TAD loop boundary的差异

    recent reports have indicated a role for transposable elements in the formation of cell-type-specific boundaries38,39. Thus, an important area for future inquiry will be to unravel the structural, functional and mechanistic differences among boundaries across length scales

参考

  1. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1612737067838761615&wfr=spider&for=pc

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