华中农大最新综述：三维基因组学

人类基因组测序完成已有十多年. 但是, 基因组信息如何指导基因在特定空间和时间表达的机理仍有待阐明. 最近的研究表明, 基因组的三维空间结构对基因组的表达、 调控等功能有重要的影响. 因此, 研究全基因组的三维空间结构和功能成为基因组学一个新发展趋势。

来自华中农业大学生命科学技术学院的研究人员近期介绍了这一研究领域的发展，概括了三维基因组学研究中的问题和目前的进展, 并讨论了可能的应用前景。

近二十多年来, 基因组学从启动至今, 经历了两次大的发展浪潮. 第一次基因组学发展浪潮以人类基因组计划为代表. 从 1990 年到 2003 年, 该计划对人类基因组进行了测序, 定义了人类基因组中的主要基因及其线性结构, 同时极大地发展了基因组测序技术, 为其他物种的研究提供了基础, 并开启了基因组学时代。

第二次基因组学发展浪潮以“人类基因组百科全书计划”为代表. 从 2003 年开始, 该计划对人类基因组 DNA 序列进行系统地解读和注释, 分析了 147 个人体组织细胞类型, 发现人类基因组中 80%的序列是可以被转录的, 其中包括大量的未知基因序列, 而且发现了几十万个不同的基因调控元件, 并对基因表达和染色质状态进行了定义。

在有了基因组序列、调控元件和相关的注释以后, 科学家们发现, 这些离散的调控元件并不能有效地解释很多基因的调控结果和机制. 科学家们面临一个迫切需要解决的问题: 基因组中的调控元件是如何相互作用, 从而起到对基因表达的调控.

“结构决定功能”是认识自然规律中的一个共识. 在生物学中, 这一共识不仅适用于 RNA、蛋白质等小规模的有机分子, 同样也应该适用于全基因组这样的DNA大分子. 最近的研究表明, 基因组的三维空间结构对基因组的表达、 调控等功能有重要的影响. 因此, 研究全基组的三维空间结构和功能成为基因组学一个新发展趋势.

基因组三维空间结构与功能的研究简称三维基因组学, 是指在考虑基因组序列、基因结构及其调控元件的同时, 对基因组序列在细胞核内的三维空间结构, 及其对基因转录、复制、修复和调控等生物过程中功能的研究.

生物学家对细胞核三维结构的研究很早就开始了. 1885 年 Rabl 就观察到细胞核中存在着不同的染色体区域, 而后的很多实验和近代的荧光染色技术及显微技术证实了细胞核中存在不同的结构，但是相关的研究一直不够深入, 同时缺乏微观的证据. 这一现象一直持续到染色质构象捕获(chromatin con-formation capture, 3C)技术的出现。

染色质构象捕获技术是由 Job Dekker 及其合作者最先提出的, 用于测定特定的点到点之间的染色质交互作用. 之后, 科学家们扩展了 3C 技术. 两个不同的小组同时开发了 4C技术, 用于测定一点到多点之间染色质交互作用, Dostie 等人开发了 5C 技术, 用于测定多点到多点之间的染色质交互作用. 为了能捕获全基因组范围的染色质相互作用, Job Dekker研究组在马萨诸塞大学开发出了Hi-C技术, 阮一骏教授研究组在新加坡基因组研究院开发出了染色质远程交互测序(Chromatin Interaction Analysis with Paired-End TagSequencing, ChIA-PET)技术，具体内容见最新Nature：基因组新技术。

Hi-C 和 ChIA-PET 也是 3C 的衍生技术, 都是基于将线性距离远、 空间结构近的 DNA 片段进行交联,并将交联的 DNA 片段富集, 接着进行高通量测序,对测序数据分析可以揭示染色质的远程相互作用,从而推导出基因组的三维空间结构和可能的基因之间的调控关系.

应用这些技术, 可以测定不同的调控元件和它们目标基因之间的相互作用, 从而解释相关的生物学问题. 现在, ChIA-PET 技术已经成功应用在人类的癌细胞, 以及小鼠的胚胎干细胞、神经祖细胞和 B 细胞等研究中, 产生了大量的染色质交互作用数据, 并发现了不同的染色质交互作用类型, 包括增强子和启动子之间的交互作用、 启动子和启动子之间的交互作用. 还有一些研究也将 ChIA-PET 技术应用到小鼠肢体细胞和人类 T 细胞中, 研究增强子和启动子的交互作用.

文章指出，基因组学研究从一维到二维, 再到三维， 在有了丰富的一维和二维基因组数据后, 科学家们的视线正在从一维基因组学和二维基因组学向三维基因组学转移. 我们知道, 所有生物的基因表达和调控都是在细胞核这一物理的三维空间结构中进行的. 要真实地理解基因的表达和调控, 不仅要了解不同调控元件和它们目标基因之间的调控关系, 同时也要知道它们的物理空间位置和相互关系, 从三维空间结构的角度去理解它们的功能。