2009年最值得关注的技术：基因组的三维结构[创新技巧]

如果将人的所有染色体相连并充分伸展的话，其长度可达2米左右，如此庞大的DNA链要全部储存在直径约10微米的细胞核中。此外，基因及其调控元件需要交流，染色质必须打开，允许转录和复制。因此，人们常常提出这样的疑问：“基因的线性顺序与空间排布如何关联？”“基因如何被遥远的元件所调控？”。

阐明染色质复杂结构的技术有染色质构象捕获（chromatin conformation capture, 3C）及更高通量的衍生技术4C、5C，这些提供了长距离的染色质相互作用，但不能扩展到整个染色质相互反应组。在2009年末，两种新方法的迸发，有望绘出全基因组范围的相互作用图谱。

马萨诸塞大学的Job Dekker和Broad研究院的Eric Lander开发出了Hi-C技术，能捕获全基因组范围的相互作用¹。Hi-C是一种3C衍生技术，基于交联DNA与生物素linker的邻近连接，能够拉下（pull down）片段，接着进行高通量测序。从800万个读取对中，研究人员产生了基因组范围的接触模型，分辨率在1 MB。

Dekker认为Hi-C的难度不在染色质捕获本身，而在于数据的阐释。“数据中存在明显的聚合物特征，它们确定了背景。”他推测，如果想以1 KB的分辨率查看染色体的三维结构，还需要数亿个读取。

研究人员还发现了出人意料的结果：染色质并非类似于紧凑、多节的结构，而是一种无节的紧密压缩构象，有活性和无活性的染色质结构域折叠成两个空间各异的区室。

一个月后，新加坡基因组研究院的Yijun Ruan和Edwin Cheung在《nature》上发表了另一项重要技术CHIA-PET ²。它是对读双标签（PET）测序与染色质免疫沉淀（ChIP）的结合，在碱基对的分辨率解析了蛋白介导的功能相互作用。

研究人员用II型限制性内切酶将免疫沉淀的DNA片段与条形码linker连接，产生了PET，然后对染色质相互作用（ChIA）的PET进行高通量测序，生成了转录因子依赖的相互作用图谱。

对于Ruan而言，数据阐释中的最大问题在于如何处理噪音。“噪音来自两个水平，生物和技术。”生物噪音是由染色质的动态性质引起的，因为它一直在移动，在任一指定时间点许多相互作用都是无意义的。Ruan的理论是有意义的相互作用更强，因此能承受更剧烈的片段化方法。技术上的噪音则来自邻近连接步骤。为了控制这种嵌合体的形成，研究小组将染色质材料均分成两等份，随后加入带有不同条形码的linker，在连接之前再次混匀。嵌合体将在同一个PET上带有不同的linker，随后被排除。

Hi-C和ChIA-PET从两个不同的方向靠近染色质相互作用组，一个提供了染色质如何在核中折叠的鸟瞰，另一个观察了特定蛋白对基因组结构的影响。为了增加它们的影响力，提供更为精细的染色质相互作用组图谱，两种方法都将向中心靠拢。更高的测序能力以及新的分析方法将增加Hi-C的分辨率，最终达到1 KB的分辨率。ChIA-PET在更多蛋白如聚合酶上的应用，将鉴定出参与转录等过程的所有染色质相互作用。

叠加Hi-C图谱和ChIA-PET图谱，以及现有的注释，将有助于了解三维空间的基因调控。（生物通 薄荷）

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参考文献：

1. Lieberman-Aiden, E. et al. Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome. Science 326, 289−293 (2009).

2. Fullwood, M.J. et al. An oestrogen-receptor-α-bound human chromatin interactome. Nature 462, 58−64 (2009).