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三维基因组学基本问题

日期:2016年2月2日 16:36

1、什么是三维基因组学?

答:三维基因组学是研究全基因组的三维空间结构和功能。在考虑基因组序列、基因结构与修饰及其调控元件的同时,对基因组序列在细胞核的三维空间结构、及其对基因转录、复制、修复和调控等生物过程的研究。

2、为什么要做三维基因组学研究?

答:DNA和染色体是存在细胞核的三维空间中的,虽然在基因组的线性序列中储存了遗传信息,但是基因的正确表达、调控以及调控元件间的相互作用都需要在染色体折叠成的复杂三维结构中完成,而染色体的空间结构并不是随机的将2米长的DNA包装进核内,而是随着细胞类型而变化,从而影响基因表达,因此我们需要从基因的调控元件的空间结构着手,进一步研究基因组三维空间结构和功能。

3、三维基因组空间研究有什么意义?

答:研究细胞核内三维空间结构可以帮助我们更加直观的去解析染色体在空间折叠形式,染色体间存在相互的作用模式,对于疾病的研究具有重要意义。在乳腺癌細胞系中已經發現多個遠程調控元间參與了與乳腺癌相關的基因調控。在宮頸癌細胞細中也發現HPV與癌基因MYC有遠程相互作用。

4、利用三维基因组学可以研究哪些生物学问题?

答:(1)全基因组范围内染色体相互作用方式,存在多少的相互交叉接触(contacts),形成了多少个染色体环(loop,染色质具体的折叠情况;(2)研究基因调控元件调控模式:除了一维基因组学研究发现的启动子周围的近程调控元件,还包括同一染色体上的远程调控元件,不同染色体之间的调控元件;(3) 协助基因组组装。

5、三维基因组学研究与以往分子生物学研究手段相比有什么优势?

答:大部分对于染色体排列的研究技术都是依靠显微镜技术,通过标记DNA序列或相关分子,观测标记区域在细胞核内的位置,通过定位比较分析DNA相互作用。但是,染色质链只有大约10纳米厚,而传统荧光显微镜的分辨率最高为200纳米,因此,通过这种方法我们只能揭示两个基因组彼此接近,但是却无法判断它们之间是否存在连接。而用三维基因组学可以利用染色体捕获和高通量测序得到全基因组范围内邻近连接的DNA,这个结果可以结合显微技术进行验证。

6、三维基因组学研究技术有哪些?

答:3C4C5CHi-CChIA-PET

技术

作用

3C

染色质构象捕获

Chromatin conformation capture

测定点到点之间的染色质交互作用

4C

环形染色质构象捕获技术

测定一点到多点之间的染色质交互作用

5C

复制染色体构象捕获技术

测定多点到多点之间的染色质交互作用

Hi-C

高通量3C技术

将捕获DNA进行高通量测序,测定全基因组范围内染色质相互作用

ChIA-PET

配对末端标签测序分析染色质相互作用

利用PET测序技术测定特定蛋白关联的染色质相互作用。

7、怎么样在全基因组范围内研究染色质折叠及相互作用?

答:Hi-C技术可以实现在全基因组中染色质的捕获与测序分析。ChIA-PET?

8、什么是Hi-C

答:Hi-C是一种3C的衍生技术,基于将线性距离远、空间结构近的DNA片段进行交联并富集,接着进行高通量测序,从测序结果中匹配生成基因组范围的接触模型,检测全基因组范围内所有的染色质相互关系,生成一个直观精密的染色质三维空间构象图。

9、什么是in situ Hi-C,与Hi-C相比有什么不同?

答:in situ Hi-C,即原位Hi-C技术,是将Hi-C和核连接反应(NLA)两种技术结合起来。 DNA在限制性内切酶酶切后,直接在完整的细胞核中进行后续的连接反应,构建高分辨率的染色体作用的三维空间结构。与Hi-C技术上的不同就在于in situ Hi-C检测的均为核内染色质间的相互作用,避免了核外例如线粒体与核内染色质相互作用。具有以下三点优势:(1)减少了大量的无意义的随机连接;(2in situ Hi-C技术完成时间更快,仅需3天,而Hi-C需要7天;(3)具有更高的分辨率以及酶切效率。

10Hi-C能够分辨多大的序列?

答:目前insitu Hi-C技术在人类中的分辨率已经达到1kb,即全基因组范围内,所有的序列支持数平均分配到每个1kb的范围内,超过80%的位点含有>1000个序列。已有研究中利用in situ Hi-CGM12878细胞中检测到了15 billioncontacts。增加测序量能够加大分辨率,HiC技术目前能做到的极限为酶切片段的大小。

11Hi-C技术可以解决哪些问题?

答:Hi-C技术作为一个高通量的染色质捕获技术,通过对全基因组内染色质相互作用的分析形成一个直观的细胞核三维空间构象。可以用来研究常染色质与异染色质的折叠形成的compartment区域,染色质内部TAD区域,及两个DNA位点之间互作的loop结构,特定的两点之间的互作等。还可以结合RNA-Seq数据研究DNA三维结构的变化与基因表达的关系;结合组蛋白修饰数据,研究组蛋白修饰对DNA三维结构的影响;结合基因组的组装数据对基因组进行染色体水平的scaffold间相对位置及方向的确定,并对scaffold进行染色体的划分。

12、利用Hi-C进行实验研究,什么问题是研究的关键?

答:(1)样本的选择:选择合适的样本才能保证实验结果的高质量。目前我们研究的主要方向是以培养的同种细胞群体为对象,且最好时期同步,下一步将会进行组织中细胞的研究。

2)生物学数据分析:对全基因组测序得到的大量数据,需用利用多种生物信息学方法去进行筛选和判断,以挑选出有用的数据进行解析

13、是否可以通过Hi-C技术与已有GWAS和重测序数据结合分析?

可以。目前已有文献对疾病相关位点进行互作区域的检测,菲沙基因正在做一个某疾病相关的位点的调控机制的研究的项目。

14Hi-C需要多少细胞数目?

10M

15Hi-C对基因组组装的要求?

取决于老师要研究的科学问题能否被现有的参考基因组解决,若不能,则需要改进,反之亦然.

16、做三维基因测序一般需要测多大的数据量?

需要的测序量取决于需要达到的分辨率,若分辨率较低,则需要的数据量较小,反之亦然。

17 4C对样本有什么要求?

细胞量:10M 

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