Hi-C(High-through chromosome conformation capture) 是以整个细胞核为研究对象，利用高通量测序技术，结合生物信息分析方法，研究全基因组范围内整个染色质DNA在空间位置上的关系，获得高分辨率的染色质调控元件相互作用图谱。Hi-C可以与RNA-Seq、ChIP-Seq、ATAC-Seq等数据进行联合分析，从基因调控网络和表观遗传网络来阐述生物体性状形成的相关机制。
今天，小编以一篇经典文献带您了解Hi-C技术在疾病发生机制中的应用。
题目：Chromatin interaction analysis reveals changes in small chromosome and telomere clustering between epithelial and breast cancer cells
期刊：Genome Biology
影响因子：11.908
研究目的：采用HI-C技术探究乳腺癌细胞三维空间结构改变及其致病机制
实验分组：人乳腺上皮细胞系MCF-10A和乳腺癌细胞系MCF-7
测序策略：Hi-C：HiSeq 2000 PE100；RNA-seq：HiSeq 2000 SE100
研究思路
研究背景
三维基因组对于通过将远距离启动子、增强子和其他顺式调控区域集中在一起，来调控基因表达是非常重要的。癌症的发展导致异常基因表达的几种遗传和表观遗传改变。 此外，癌症是一种疾病，其细胞核中的主要形态学发生变化，用作诊断标记。尽管癌症的形态学特征具有很好的特征，但异常核形态的分子结构仍然不甚了解。
核内染色质的高级折叠涉及跨越不同尺度的分层结构。显微成像显示染色体位于被称为染色体区域的限定区域内。在细胞核中，每条染色体都有一个优先但不固定的位置，其中基因密集的染色体往往位于核内部。越来越多的证据强调了乳腺癌启动过程中染色体和基因定位的重要性。此外，最近的数据表明核的物理空间接近度对复发性易位的影响。
几项研究表明，基因组划分为两个区域，称为A/B compartments，它们在基因组中一般呈间隔分布。研究发现A compartment通常与表达活跃的open chromatin相关，而B compartment与转录抑制的closed chromatin相关。
TAD（topologically associating domains）是拓扑关联域，一般指具有“特殊生物学功能”的相互作用“方块”，一般区域内部的互作频率显著高于毗邻的两个区域的互作频率，是基因组在空间结构中基本的组织形式。已显示TAD在不同物种，细胞类型和生理条件下基本不变，并可作为转录调控的功能单位。最近的研究阐明了TAD和转录因子相关的相互作用在激素调节（即雌激素或黄体酮治疗）背景下基因组范围内的作用。TAD被认为通过整合相同领域的监管活动促进转录调控。在TAD中，10 kb至1 Mb范围内的循环相互作用将增强子和启动子组合在一起以调节基因表达。尽管之前的研究数量众多，但正常上皮细胞和致瘤性乳腺癌细胞之间全基因组染色质结构的差异仍然未知。
在本研究中，为了表征乳腺癌发展过程中基因组的不同结构，作者在MCF-10A乳腺上皮细胞系和MCF-7乳腺癌细胞系中进行了全基因组染色质构象捕获（Hi-C）分析。 Hi-C是探测全基因组染色质相互作用的强大分子工具。研究结果揭示了两种常用的乳腺上皮细胞和致瘤性乳腺癌细胞系在不同分辨率上的染色质结构的差异。这项工作为了解乳腺癌染色质结构改变与基因表达之间的关系奠定了重要的基础。
研究内容及结果
1. 染色质相互作用热图分析比较
为了探测乳腺上皮细胞和乳腺癌细胞的全基因组染色质结构，作者从MCF-10A和MCF-7细胞系分别构建了来自两个独立生物学重复样本的Hi-C文库，在生物学重复之间分析结果具有高度的一致性。结果发现人乳腺上皮细胞系MCF-10A，在chr16-chr22号小染色体中，有较强的相互作用。
2. A/B compartment互相转化分析
基因组中存在两种独特的相互作用模式，代表开放（A型）和封闭（B型）基因组区室。作者确定了两种基因组中的区域化模式在生物学重复中具有高重现性。在250 kb的分辨率下，MCF-10A和MCF-7基因组显示出开放和闭合区室的相似分布。只有一些区域有A到B区室或者B到A区室的转化，这些转化区域中的很多基因与癌症重要通路WNT相关。
3. TAD边界分析
尽管染色体结构以及区域化和基因表达都有所变化，但不同细胞系中约有85％（2805）的TAD边界是相同的。这一结果表明，尽管具有细胞类型特异性和大规模结构差异，但TAD边界在非致瘤细胞和致瘤细胞之间是一致的。同时，用40kb分辨率来鉴定TAD边界，发现一些TAD边界是乳腺癌细胞系特有的。
总体而言，在本研究中，从大规模染色体顺式和反式相互作用到基因组区域化和TAD形成，作者绘制了乳腺上皮细胞和乳腺癌细胞在不同分辨率下的染色质结构，将会对染色质结构在转录调控和肿瘤发生中的功能作用提供更多的依据。
文章小结
作者展示了乳腺上皮细胞和乳腺癌细胞之间染色体结构和基因表达之间的复杂关系。更重要的是，这项研究绘制了染色质高级结构的全基因组视图，并提供了一种渠道，该渠道可以用于研究乳腺癌的两种细胞系中的染色质相互作用。
解析文献
A. Rasim Barutcu1, Bryan R. Lajoie2, et al. Chromatin interaction analysis reveals changes in small chromosome and telomere clustering between epithelial and breast cancer cells. Genome Biology, 2015, 16:214.
参考文献
1. Bolzer A, Kreth G, et al.Three-dimensional maps of all chromosomes in human male fibroblast nuclei and prometaphase rosettes. PLoS Biol. 2005;3:e157.
2. Imakaev M, Fudenberg G, et al. Iterative correction of Hi-C data reveals hallmarks of chromosome organization. Nat Methods. 2012;9:999–1003.
3.Bickmore WA. The spatial organization of the human genome. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2013;14:67–84.
4. Rousseau M, Ferraiuolo MA, et al. Classifying leukemia types with chromatin conformation data. Genome Biol. 2014;15:R60.
5. Dixon JR, Jung I, et al. Chromatin architecture reorganization during stem cell differentiation. Nature. 2015;518:331–6.
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