首页 > 三维基因组学简介
三维基因组学简介

  三维基因组介绍

  三维基因组学及其研究方法

  基因组三维空间结构与功能的研究简称三维基因组学(Three-Dimensional Genomics,3D Genomics),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,及其在基因转录、调控、复制和修复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 Conformation 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。随后,科学家们扩展了3C技术,两个不同的小组同时开发了4C(Circularized Chromatin Conformation Capture)技术,用于测定一点到多点之间的染色质交互作用。Dostie等人接着开发了5C(Carbon-Copy Chromatin Conformation Capture)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又开发出了Hi-C技术。以上C系列技术虽然可以证实两个远端DNA元件在空间上的交互作用,但是却无法检测锚定在染色质基部的蛋白质,而这些介导远程交互的特定蛋白的功能对于认识远程调控元件与靶基因的互作机制至关重要。为了解决这一问题,科学家研发了ChIP-Loop技术。在此基础上,菲沙基因信息科学家阮一骏教授及其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技术(Chromatin Interaction Analysis with Paired-End Tag Sequencing,ChIA-PET).

  Hi-C和ChIA-PET都是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,对测序数据分析即可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。Hi-C和ChIA-PET的区别在于,Hi-C适合测试所有的包括特异和非特异性的交互作用,因此是全方位的,但其分辨率较低,且噪声高。而ChIA-PET的目标在于特定的蛋白因子及其相关联的染色质相互作用。该技术将配对末端标签测序(Paired-End Tag Sequencing)与染色质免疫共沉淀(Chromatin Immunoprecipitation,ChIP)两种技术相结合,对富集了某种蛋白质的DNA片段进行交联,可以筛选出全基因组范围的特定转录因子参与的染色质远程交互作用,从而能够呈现高特异性和高分辨率的染色质相互作用。 因此,结合用Hi-C产生整体基因组的DNA交联数据和用ChIA-PET产生特定蛋白质介导的染色质相互作用数据,能够一起揭示全面且具体的功能性染色质相互作用,这为三维基因组学研究和分析奠定了必要的技术基础。

  应用上述技术,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,Hi-C技术已被成功应用在基因组空间结构、基因组异位、基因组组装和细胞间的染色质结构差异等方面;而ChIA-PET技术也已被成功用于小鼠胚胎干细胞、神经细胞、肢体细胞和B细胞,以及人类癌细胞和T细胞的基因组交互作用。生物技术的发展日新月异,依靠各国科学家的持续研究和不断开发,已促使三维基因组学的检测技术、显微技术、可视化模拟技术、数据分析方法等方面更为完善和成熟,同时也衍生出一系列新技术,例如Single-cell Hi-C、Capture-C、DNase Hi-C、TLA等等。

  此外,基因的表达和调控是随着时间的变化而变化的。仅利用相对静止状态的基因组三维结构和功能,不能完全诠释基因的表达和调控问题。因此,在三维基因组学研究中,有必要加入时间因素,研究动态变化下的基因组三维结构和功能--称之为4D基因组学。该方法能够用于研究细胞周期过程、细胞发育和分化的不同阶段、正常细胞向疾病细胞转变过程、细胞受到外界刺激(如加入药物、荷尔蒙、温度变化、病毒入侵)时基因组三维结构的改变,通过分析不同细胞之间基因组三维结构的差异和相似之处,希望能从中找出基因组三维结构的基本组织规律,以及它们对基因转录、调控等细胞功能的作用。基因组三维结构上的变化和差异可能会导致人类的各种疾病或动植物的各种性状改变。理解基因组的三维结构动态对理解基因组的整体功能至关重要。

  三维基因组学是多学科、多技术融合催生的新产物,随着人类基因组计划(HGP)、DNA元件百科全书计划(ENCODE)相继完成,它的出现势必推动基因组学第三次发展浪潮的到来。三维基因组模型是细胞生命调控过程的真实生物模型,为人类与动植物基因组功能的阐述提供了底层基础。目前,美国国立卫生研究院(NIH)已经抢先启动了人类三维基因组计划,中国科学家也已经着手开展水稻三维基因组研究。中国作为人口大国和农业大国,可以预想,随着三维基因组研究在人类疾病与健康、农业动植物以及微生物研究领域的广泛开展和应用,必将会为我国生命科学、农业科技的持续创新提供强有力的基础支撑,也将会为我国在这些领域提供一次领先世界的机会。

  技术原理

三维基因组技术原理(Hakim 2012)

三维基因组技术差异比较

   产品应用

  解析全基因组范围内的基因互作模式

  构建细胞内染色质互作的三维空间模型

  揭示特定蛋白质与染色质相互作用的关系

  诠释基因组转录、调控、复制和修复机制

  进行快速、经济的基因组组装和单倍型分析

  技术优势

    · 丰富的项目经验

  菲沙技术团队由4C、ChIA-PET技术研发者领衔,作为国际上较早开展三维基因组学研究的着名科学家,具有丰富的合作经验,参与了众多国际前沿的研究工作。

   · 灵活的解决方案

  菲沙技术团队为不同需求的合作伙伴提供包括实验设计、测序策略,以及后续定制化信息分析在内的一站式、个性化整体解决方案。

   · 创新的实验技术

  菲沙技术团队联合国内外着名高校和科研机构,采用创新实验技术,弥补三维基因组技术背景噪音大的缺陷,保证了有效互作的高效筛选。

   · 领先的分析能力

  菲沙技术团队依托国际先进的第二代和第三代高通量测序平台,以及20万亿次的高性能计算平台,结合自主研发的分析软件和算法,保证了结果的可靠性和稳定性。

   · 项目流程

  菲沙凭借先进的硬件条件、丰富的项目经验,结合独立开发的算法和分析软件,能够快速、准确的开展各项三维基因组技术实验和数据分析,提供可靠、稳定的研究结果。