Геном высших эукариот имеет сложную трехмерную пространственную структуру, такую как петли хроматина (петли хроматина), топологически ассоциированные домены (ТАД), активные/неактивные компартменты хроматина (компартменты А/В) и хромосомные домены (территории хромосом) на разные масштабы. Эти структуры важны для поддержания стабильности генома, точной регуляции экспрессии генов, тем самым влияя на детерминацию клеточных судеб и установление фенотипа. Классическая трехмерная структура генома в основном выявляется с помощью различных высокопроизводительных технологий, представленных захватом конформации хромосом (3C) и производными от него методами, такими как 4Cs, 5C, Hi-C и ChIA-PET. Эти технологии могут улавливать парные последовательности ДНК в ядре, но не могут улавливать синергетические многосайтовые взаимодействия (многосторонний контакт) и топологию одной молекулы (топологию с одним аллелем) в клеточных популяциях. Кроме того, геномные трехмерные структуры динамически изменяются во время клеточного цикла, развития и дифференцировки и связаны с взаимодействиями хроматина во многих генах и регуляторных интервалах. Получение топологии одной молекулы хромосомы в клеточной популяции важно для изучения механизма динамического сворачивания генома и связи с регуляторными функциями генов.
Хоу Чуньхуэй, научный сотрудник Куньминского института зоологии Китайской академии наук, и Сяо Чуаньлэ, младший научный сотрудник Чжуншаньского офтальмологического центра Университета Сунь Ятсена, опубликовали исследовательскую работу под названием «Высокопроизводительная пора-C» топология и типоспецифичность трехмерного генома в Nature Communications (Nature Communications). Эта работа оптимизирует высокопроизводительный метод Pore-C, значительно увеличивает поток обнаружения взаимодействий хроматина более высокого порядка и выявляет топологическое разнообразие одной молекулы и клеточную специфичность трехмерного генома.
Причиной относительно низкой производительности секвенирования технологии Pore-C может быть блокировка ядра секвенирующей нанопоры из-за того, что белок, сшитый с ДНК, не удаляется полностью. Чтобы решить эту проблему, исследования оптимизировали ферментативные условия, протестировали стратегию множественного протеолиза и использование смешанных протеаз, увеличили выход секвенирования примерно на 80 процентов и почти в несколько раз увеличили стоимость использования этой технологии. Кроме того, мы разработали процесс выравнивания MapPore-C, интегрировав алгоритмы выравнивания NGMLR и Minimap2, что значительно повысило точность выравнивания и уменьшило использование данных. Между тем, мы подтвердили, что HiPore-C может в высокой степени воспроизводить петли хроматина на основе захвата Hi-C, домены, связанные с топологией, и компартменты области хроматина по сравнению с данными Hi-C. Кроме того, в исследовании изучалось взаимодействие высокого порядка между хромосомами, большинство взаимодействий происходит не между теломерами и центриолями, а в геномных областях, и формируют два концентратора взаимодействия с различной транскрипционной активностью, один концентратор плотности генов, плотность энхансера и активное состояние хроматина, связанного с эпигенетическим уровень модификаций выше. Исследование также показало, что высокочастотные взаимодействия между хромосомами происходят между областями множества хромосом, обогащенными генами тРНК. Взаимодействия высокого порядка HiPore-C происходят не только внутри TAD и компартмента, но также охватывают несколько компартментов, топологически родственных доменов и петель хроматина. Карты взаимодействия хроматина, основанные на прямом и непрямом взаимодействии фрагментов ДНК, в целом аналогичны обычным картам Hi-C, но непрямые взаимодействия фрагментов ДНК с большей вероятностью охватывают несколько структурных единиц. Вышеупомянутые исследования раскрывают универсальность существования взаимодействий между доменами хроматина и подчеркивают преимущества и важность технологии HiPore-C в разрешении трехмерных взаимодействий высокого порядка на уровне одной молекулы.
Мы обсуждаем кластеры топологии одиночных молекул в топологии различных типов клеток. Эти структурные кластеры являются основой для формирования суб-TAD-подобных (subTAD-подобных) доменов с очевидной клеточной специфичностью, что указывает на то, что топологическое разнообразие отдельных молекул является основой деления доменов TAD в клеточных популяциях и имеет большое значение для исследовать взаимосвязь между пространственной организацией генома и экспрессией клеточно-специфического гена. Кроме того, в исследованиях использовались данные HiPore-C для сравнения взаимодействий более высокого порядка в локусе -globin в эритроидных клетках GM12878. Мы обнаружили, что многосайтовые одновременные клеточно-специфические центры энхансер-промотор формируются между промоторами генов ε- и -globin человека и множественными энхансерами, и что это взаимодействие может быть динамическим. Способность HiPore-C фиксировать как взаимодействие высокого порядка, так и статус метилирования ДНК, а также положительную корреляцию между сигналом метилирования ДНК и силой взаимодействия между якорями петли хроматина, кроме того, тип компартмента хроматина может быть точно различен в соответствии с ДНК. уровень метилирования (A против B). Это исследование установило технику HiPore-C, которая может всесторонне описать разнообразие топологии одиночной молекулы, и показало, что динамическая укладка топологии одиночной молекулы более сложна, чем считалось ранее, что еще больше расширило познание закона трехмерной укладки генома. .
