《Nature Structural & Molecular Biology》：Single-molecule chromatin tracing reveals a diversity of megabase heterochromatin domains
编辑推荐：
染色体折叠形成不同结构域以调控转录、复制和修复。除已充分表征的拓扑关联结构域（topologically associating domains，TADs）和区室（compartments）外，异染色质结构域在序列水平上的多样性仍缺乏明确定义。研究人员利用秀丽
染色体折叠形成不同结构域以调控转录、复制和修复。除已充分表征的拓扑关联结构域（topologically associating domains，TADs）和区室（compartments）外，异染色质结构域在序列水平上的多样性仍缺乏明确定义。研究人员利用秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）新生异染色质的单分子追踪（single-molecule tracing），鉴定出三类兆碱基尺度结构域：（1）边界清晰、依赖凝聚素I（condensin I）的TAD样结构域（TAD-like domains，TADLs），在合子基因组激活前出现；（2）大小相近但不依赖凝聚素的 elegans 凝聚素非依赖结构域（elegans condensin-independent domains，elCIDs），其中一个包含5S-剪接 Leader 重复位点；（3）解压缩、弥散结构，在群体中丰富但可能被交联实验遗漏。凝聚素I位于TADL结构域边界，而DNA结合蛋白、活性组蛋白标记和母本活跃基因 flank elCID结构域，表明不同类型结构域的边界由不同机制建立。该结果揭示了此前未被认识的异染色质架构，并提示母本转录活动参与塑造秀丽隐杆线虫早期胚胎中的结构域边界。
研究背景方面，染色体在多尺度上组织为结构域，兆碱基尺度上Hi-C揭示了拓扑关联结构域（TADs），组蛋白修饰驱动常染色质与异染色质区室（compartments）分隔。显微镜方法还发现包装结构域（packing domains）、Polycomb小体等结构，说明存在超越交联方法的折叠模式。在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中，X染色体由特异凝聚素I复合体（condensin I DC）产生TAD及边界，常染色体仅有20至40 kb的cohesin依赖TADLs，是否存在脊椎动物那样更大的染色质结构域并不清楚，群体平均图谱也掩盖了异质构象。
该研究发表在《Nature Structural 》上。研究人员采用单分子染色质追踪（single-molecule chromatin tracing，基于DNA荧光原位杂交FISH）在单条染色体水平解析常染色体异染色质区，并结合无监督聚类、绝缘分数（insulation score）与边界概率分析。
关键技术方法上，研究人员使用染色体V上100 kb探针间距的染色质追踪获得单分子轨迹，样本为野生型及突变体早期胚胎（包括condensin I亚基dpy-28功能缺陷、H3K9甲基化缺失met-2;set-25双突变等）；通过无监督聚类划分构象簇，用绝缘分数和边界概率量化结构域边界，并借助已发表ChIP-seq、单细跑RNA-seq及Hi-C数据交叉分析，另以聚合物模型作为统计零模型。
研究结果如下。单分子追踪定义高绝缘染色体结构域：研究人员对2至140细胞期单分子轨迹聚类，得到7个构象簇，其中3个簇具约1 Mb清晰边界和高绝缘分数，群体平均图谱无清晰结构而被单分子异质性掩盖。凝聚素I是秀丽隐杆线虫TAD样异染色质结构域所需：dpy-28突变体中距离矩阵呈棋盘式、半径陀螺（radius of gyration，RoG）增大，远端19.7至20.9 Mb结构域丢失，该结构被命名为TADL；近端18.2至19.6 Mb结构域保留并称为elCID。组蛋白H3K9甲基化介导压缩而非边界形成：met-2;set-25双突变中TADL与elCID仍存在，但全区域距离增大、RoG上升，说明H3K9me负责全局压缩而不决定边界。不同遗传依赖塑造TADL与elCID：混合基因型聚类显示TADL在condensin缺陷中近消失，elCID在condensin突变中富集且不受H3K9me丢失影响。多染色体区域的结构域样组织：向上游延伸约1.3 Mb发现17.0至17.9 Mb的5SL elCID，含5S rRNA和SL转剪接Leader重复基因，在各类基因型中边界保留，且不靠近核仁，Pol III焦点位于异染色质旁的可转录微环境。TADL与elCID边界具有不同基因组和染色质特征：TADL边界约19.7 Mb有凝聚素I五个亚基峰及CEH-30、LIN-13、MEP-1、CEH-26占位；elCID边界约18.1 Mb伴H3K36me3、母本高表达和抑制标记缺失。结构域压缩与elCID而非TADL在发育中渐进出现：TADL在合子基因组激活前已存在，5SL elCID在次要ZGA出现，第二elCID在9至40细胞期出现；野生型缩放指数随发育下降显示渐进压缩，突变体维持去压缩。单细胞染色质结构域在群体TADL丧失后仍存续且来自协同长距离互作：单分子中边界概率在野生型集中于19.0和19.7 Mb，dpy-28中边界定位分散，H3K9me突变边界位置保留；聚合物零模型表明这些变异不能用普通聚合物波动解释。
讨论与结论部分，研究人员指出群体平均Hi-C或追踪图会掩盖单分子异质构象，秀丽隐杆线虫常染色体存在condensin I依赖的TADL、condensin非依赖的elCID及弥散去压缩结构三类兆碱基异染色质架构。TADL边界由condensin I建立，elCID边界与DNA结合蛋白、活性组蛋白标记和母本活跃基因相关，说明边界形成机制因结构域类型而异。H3K9甲基化促进压缩但不创建边界。单细胞中结构域样组织可在SMC或H3K9me缺失时保留，提示除环挤出（loop extrusion）和区室化外还有协同长距离互作贡献。该工作修正了线虫常染色质/异染色质组织认识，揭示早期胚胎中母本转录活动参与边界塑造，为跨物种异染色质架构研究提供单分子框架。
研究结论翻译为：利用秀丽隐杆线虫新生异染色质的单分子追踪，研究人员鉴定出三类兆碱基尺度结构域，即condensin I依赖且边界清晰的TAD样结构域（TADLs）、大小相近但condensin非依赖的elCIDs，以及群体中丰富但可能被交联实验遗漏的解压缩弥散结构。condensin I定位于TADL边界，而DNA结合蛋白、活性组蛋白标记和母本活跃基因位于elCID边界，表明不同结构域类型由不同机制建立边界。该结果揭示此前未被认识的异染色质架构，并表明母本转录活动参与塑造秀丽隐杆线虫早期胚胎中的结构域边界。
