在2022的上半程，Hi-C、ATAC-seq和ChIP-seq/CUT&Tag的组合在高分赛道高举有多个应用方向的旗帜，包括有干细胞功能、疾病应用、发育进化、免疫细胞功能、动物器官三维结构和植物三维结构等等。今天立足于精选的十五篇文章，以这六大方向作杆，一览表观组学技术经典联合的应用，登高望远，为下半程助力。

表1 2022上半年表观组学技术联合应用

（打包文集请见文末）

研究主题：Runx1的动态染色质边界影响造血发育中的基因表达

文章题目：Dynamic Runx1 chromatin boundaries affect gene expression in hematopoietic development

发表时间：2022年02月09日

发表期刊：Nature Communications（IF：17.694）

一作单位：牛津大学

材料方法：

研究材料：鼠的胚胎干细胞

研究方法：Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq、Tiled-C、DNaseI-seq

概述：

Runx1/AML1是RUNX家族转录因子的成员，它是许多发育过程的关键。Runx1因其在造血系统的新生和维持正常造血平衡中的关键作用而最为著名。人类中RUNX1的中断会导致一些造血疾病，包括急性骨髓性白血病和伴有骨髓性恶性肿瘤的家族性血小板紊乱。Runx1是一个大而复杂的基因，在多个造血增强子的时空控制下由两个启动子（P1和P2）调控转录。然而，目前还不清楚Runx1在造血不同阶段的组合调节，也不清楚Runx1表达的动态时空控制机制。阐明Runx1的转录调控机制可望有助于更好地理解复杂的多启动子基因在发育过程中所采用的染色质构象变化。

为了剖析Runx1在造血发育中的动态调控，该研究在体外小鼠ESC分化模型的发育性造血过程中，对Runx1染色质进行了四维描述，即在三维空间补充时间特征。首先，利用低起始的高分辨率染色体构象捕获技术，发现小鼠ESC中存在一个预先形成的1.1 Mb TAD，横跨Runx1基因座，这在人类中是保守的，并在基因激活前形成。结合Dnasel-seq、ChIP-seq、ATAC-seq和RNA-seq联合分析，发现在分化过程中，TAD内出现了已知的增强子、CTCF位点和候选顺式调控元件上的可访问染色质位点。这些区域以发育阶段的特定方式与Runx1启动子相互作用。值得注意的是，在细胞类型特异的Runx1亚TADs中，P1和P2启动子的相互作用增加。这些 sub-TAD以高度保守的启动子近端CTCF位点为界，其作用知之甚少。在此，根据机器学习方法和CRISPR/Cas9介导的缺失来研究启动子近端CTCF结合对Runx1染色质结构的重要性。删除Runx1的P1或P2启动子近端CTCF位点会部分破坏TAD结构，而E-P相互作用似乎不受影响。Runx1的水平在中胚层阶段呈下降趋势，同时中胚层基因的表达也发生了明显的变化，表明造血分化延迟。研究发现，在分化过程中，亚TAD染色质边界在庞大而复杂的Runx1调控域中动态形成，并参与协调基因表达和造血分化。

图1 造血发育过程中和启动子近端CTCF位点缺失后Runx1的动态染色质变化模型

研究主题：人类扩张型心肌病的三维结构对转录重编程的影响

文章题目：Rewiring of 3D Chromatin Topology Orchestrates Transcriptional Reprogramming and the Development of Human Dilated Cardiomyopathy

发表时间：2022年04月11日

发表期刊：Circulations（IF：39.918）

一作单位：牛津大学、香港中文大学、广东省人民医院和西南医科大学

材料方法：

研究材料：人类扩张型心肌病和非衰竭心脏组织、iPSC衍生的心肌细胞和小鼠模型验证

研究方法：Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq、HiChIP

概述：

转录重组是心力衰竭的核心，最常见的原因是扩张型心肌病（DCM）。三维染色质拓扑结构对人类扩张型心肌病的转录失调和发病机制的影响仍未得到证实。该研究通过高度整合HiChIP（H3K27ac）、Hi-C、ChIP-seq、ATAC-seq和RNA-seq，从101个生物库的人类DCM和非衰竭心脏组织中生成了三维表观基因组和转录组图谱汇编。并且使用人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞和小鼠模型来检索与DCM发病机制中三维染色质组织和转录调节有关的关键转录因子。

研究发现活性调控元件（H3K27ac）及其连接对象（H3K27ac环）在DCM心脏中被广泛地重新编程，并促成了DCM发展中牵涉的转录失调。例如，非转录的NPPA-AS1启动子作为一个增强子，与NPPA和NPPB启动子发生物理作用，导致NPPA和NPPB在DCM心脏中的共转录。研究发现，DCM富集的H3K27ac环大部分驻留在保守的高级染色质结构中（compartment、TAD），其锚点意外地具有同等的染色质开放性。研究发现，DCM富集的H3K27ac环锚点对HAND1（心脏和神经嵴衍生物表达1）表现出强烈的富集，HAND1是参与早期心脏发生的关键转录因子。与此相一致，它的蛋白表达在人类DCM和小鼠衰竭的心脏中被上调。为了进一步验证HAND1是否是DCM心脏中增强子-启动子连接组重编程的因果驱动因素，该研究在人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞中进行了全面的三维表观基因组图谱分析。研究发现，在人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞中强制过表达HAND1会诱导增强子-启动子互作明显增加，并相应地增加其与DCM发病机制有关的基因的表达，从而再现了人类DCM心脏中的转录特征。电生理学分析表明，在人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞中强制过表达HAND1会诱发异常的钙处理。此外，心肌细胞特异性过表达HAND1在小鼠心脏中导致心脏扩张重塑，心肌细胞收缩力/钙离子处理受损，心脏重量/体重比例增加，心脏功能受损，这都归因于DCM中转录重编程的再现。这项研究为DCM的发病机制提供了新的染色质拓扑学见解，并说明了一个模型，即一个转录因子（HAND1）重新编程整个基因组的增强子-启动子互作，以驱动DCM的发病机制。

图2 人类DCM的三维表观基因模型和HAND1重塑增强子/启动子互作以促进转录组重编程和DCM发病机制

研究主题：生殖系中的3D染色质重塑调节基因组进化可塑性

文章题目：3D chromatin remodelling in the germ line modulates genome evolutionary plasticity

发表时间：2022年05月11日

发表期刊：Nature Communications（IF：17.694）

一作单位：巴塞罗那自治大学，坎特伯雷肯特大学

材料方法：

研究材料：鼠的精原细胞、初级精母细胞和圆形精子细胞

研究方法：Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq

概述：

近亲和远亲哺乳动物物种的比较基因组学发现，牵涉到结构性进化变化的基因组区域集中在更容易断裂和重组的区域。在这种情况下，进化断点区域（EBRs）被认为是牵涉到破坏基因组合成区域的结构进化变化的基因组区域。鉴于与EBR相关的因素的多样性，基因组的序列组成很可能是进化过程中基因组不稳定的唯一原因，而三维基因组折叠的调节也是一个关键因素。理论工作表明，可遗传的重排将发生在生殖细胞/早期全能发育阶段可接触到的基因组区域，突出了EBRs在生殖系中存在的制约作用，需要进一步研究。

在此，该研究提供了探究三维基因组折叠与小鼠生殖系中进化染色体重组的功能和表观遗传学特征的关系的思路。首先重建了祖先的啮齿动物基因组，分析了主要系统群的14个啮齿动物物种代表的全基因组序列；随后检测了谱系特定的染色体重排；最后通过应用ChIP-seq、ATAC-seq、Hi-C和RNA-seq数据综合计算分析，确定了小鼠精子发生过程中EBRs的结构和表观遗传特性的动态变化。研究发现EBRs位于染色质环境中，随着减数分裂的进展，特别是在减数分裂后的阶段，EBRs变得更加容易接近。此外，EBRs在初级精母细胞中没有程序化的减数分裂DSBs和减数分裂粘连蛋白，但在减数分裂后的细胞中与功能性远距离相互作用区域和DNA损伤部位相关。总的来说，该研究提出了一个模型，将进化的基因组与DNA损伤反应机制和生殖细胞的动态空间基因组结构结合起来。

图3 生殖细胞染色质结构调节基因组进化可塑性的工作模型

研究主题：TCF-1促进T细胞祖细胞中跨拓扑关联域的染色质相互作用

文章题目：TCF-1 promotes chromatin interactions across topologically associating domains in T cell progenitors

发表时间：2022年06月20日

发表期刊：Nature Immunology（IF：31.25）

一作单位：宾夕法尼亚大学

材料方法：

研究材料：NIH 3T3细胞

研究方法：Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq、HiChIP

概述：

T细胞的发育途径是了解全局基因组结构的一个主要范例。当骨髓来源的前体在胸腺中播种并产生早期胸腺祖细胞（ETPs）时，T细胞就开始发育。由Tcf7编码的TCF-1在ETP阶段被Notch1上调，并在成熟前保持高度表达。该蛋白能控制Gata3和Bcl11b的表达，这对T系细胞是必要的。TCF-1还可以与核糖体DNA结合，创造新的可利用的调控元件。尽管体外生化实验表明，高迁移率组（HMG）蛋白（例如如TCF-1和LEF1）可以作为高级核组织中的结构元素，但TCF-1在T细胞发育过程中对控制三维基因组结构的贡献仍然未知。

在此，该研究首先利用Hi-C、ChIP-seq和HiChIP评估了TCF-1在胸腺中的早期和持续表达是否对染色质折叠有作用。通过增益和功能缺失实验，发现TCF-1和结构蛋白CTCF的共定位位置改变了T细胞祖细胞中拓扑关联域的结构，观察到TCF-1以T细胞祖细胞中绝缘邻域的边界为目标，削弱了T细胞发育后期相邻邻域之间的绝缘性，增强了位于先前绝缘域的调控元件和靶基因之间的远距离相互作用。再结合ChIP-seq和ATAC-seqs数据分析，研究发现TCF-1依赖的长距离相互作用的增加与活性增强子标记H3K27ac的沉积和在活性增强子上招募粘连蛋白加载因子NIPBL有关。研究发现TCF-1依赖性的染色质相互作用跨越了绝缘区。邻近区域出现了一种谱系转录因子，它可以在发育轨迹中拆除绝缘层。这些数据表明，在T细胞发育过程中，TCF-1在控制全局基因组结构方面有一定作用。

图4 TCF-1在活性增强子上促进NIPBL招募来重构基因组结构

研究主题：脑部性别特异性的三维结构

文章题目：Sex-specific multi-level 3D genome dynamics in the mouse brain

发表时间：2022年06月15日

发表期刊：Nature Communications（IF：17.694）

一作单位：福坦莫大学和内布拉斯加大学

材料方法：

研究材料：鼠的脑组织

研究方法：Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq、FISH

概述：

大脑生理和疾病的性别差异是由性激素和性染色体相关基因的相互作用造成的。大脑的性分化是在围产期发育过程中建立的，这一过程持续到围产期和成年。从青春期到绝经期，卵巢激素的周期性波动是女性特有的经历，虽然对生殖功能来说是必要的，但它们与大量的行为和大脑可塑性有关，并与女性患某些大脑疾病如焦虑和抑郁症的风险增加有关。卵巢激素、雌激素和孕激素的受体广泛分布在大脑中，并发挥着强大的神经调节作用。 然而，对于性激素引起的女性大脑的动态特性的分子机制仍然知之甚少。

该研究首先利用Hi-C结合候选位点的FISH，对成年腹侧海马（vHIP）神经元在整个发情周期和不同性别方面的三维基因组结构进行了了解。随后结合同一生物样本的ATAC-seq和RNA-seq数据，以及来自公告数据库的ChIP-seq（H3K4me1、H3K27ac和H3K27me3）数据。发现除了性别差异，整个发情周期的三维基因组结构也发生了戏剧性的多层次变化。其中在雌性小鼠中，存在周期性的三维染色质结构的动态变化，包括雌激素反应元件富集的X染色体compartment、常染色体CTCF环和增强子-启动子相互作用。随着雌激素水平的上升，女性三维基因组变得与男性三维基因组更加相似。周期性的增强子-启动子相互作用与基因表达部分相关，并富集了与大脑障碍相关的基因和途径。接下来通过卵巢切除（OVX）雌性小鼠的雌激素补偿组，证实vHIP神经元的三维基因组对性激素的变化有高度反应。研究揭示了女性大脑中独特的三维基因组动态，有可能对大脑和行为的可塑性以及女性特有的大脑疾病风险做出贡献。

图5 不同发情周期和性别的vHIP神经元的三维基因组结构

研究主题：异源四倍体棉花中3D基因组的精细层次结构

文章题目：Multi-omics mapping of chromatin interaction resolves the fine hierarchy of 3D genome in allotetraploid cotton

发表时间：2022年06月21日

发表期刊：Plant Biotechnology Journal（IF：13.263）

一作单位：华中农业大学

材料方法：

研究材料：棉花叶片

研究方法：Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq、Pore-C、ChIA-PET

概述：

异源四倍体棉花（Gossypium hirsutum）是一种在全球范围内被广泛种植的进口纤维和油料作物，同时也是分析所有多倍体化基因组的模型。 该研究主要致力于确定功能基因组组成，包括蛋白编码基因和非编码调控元件，用以指导农业性状的改进。研究也基于转录调控和3D基因组的关系扩展到了其三维结构的理解。然而，对高级染色质结构和长距离转录顺式调控元件的相关认知仍然是零散的。

该研究首先基于G. hirsutum的叶片准备一个超高分辨率（3 Kb）的Hi-C库（233 Gb）和一个具有适当分辨率（20 Kb）的Pore-C文库，构建了精细的棉花三维基因组图谱，以完全探究染色质结构域的多种相互作用，帮助理解功能基因组成分的状态和核内位置。接下来使用Hi-C、ChIA-PET（H3K4me3）和ChIP-Seq（H3K4me3、H3K27ac和H3K27me3）来研究染色质环及其在基因转录中的潜在作用。在3Kb的分辨率下，研究观察到31047个基因-基因环，40035个基因-非编码区环和121415个其他环。位于基因-基因环锚点的基因具有更高的表达水平，这与活性组蛋白修饰的含量较高有关。随后通过结合ATAC-Seq、ChIP-Seq和染色质环确定了可能的长距离转录顺式调控元件（CREs）。 这些CREs与H3K4me3、H3K27ac和H3K27me3修饰有关，以及与Tn5转座酶敏感位点重叠，并且分别与2317、2713、4193和6683个基因关联。被H3K27me3修饰的基因具有较低的表达水平，可能与H3K27me3的非活性作用有关。接下来，根据异源四倍体棉花的3D基因组图谱分析两个亚基因组的三维结构对转录调控的影响。 研究发现同源基因的不同空间位置与表达不平衡有关。 同时，5977个基因通过染色质环受亚基因组的差异CREs调控，716个基因表现出对两个亚基因组中的一个的表达偏向。 因此同源基因表达不仅受到TAD位置的影响，而且还受到与染色质环相关的重塑CREs的影响。

综上所述，该研究全面探测了异源四倍体棉花的精细三维基因组结构，分析了大面积复杂的高层次多重互作的特点以及对基因表达的潜在影响。 并且发现同源基因对的偏向表达与高级染色质结构的亚基因组不对称有关。因此解码三维基因组层次结构十分必要，它可以帮助更广泛地了解多倍体细胞中复杂的转录调控。

图6 异源四倍体棉花的3D基因组结构及其在转录调控的影响