特殊順式調(diào)控元件與染色質(zhì)三維結構.pdf

1、對于真核生物，染色質(zhì)是最大的單一生物大分子，是基因組的存在形式，是遺傳和表觀遺傳的共同載體，而細胞核是染色質(zhì)的儲存空間。在有絲分裂間期，不同的染色質(zhì)在細胞核內(nèi)分別占據(jù)一個相對獨立但又相對固定的空間位置即染色體領域CT（Chromatin Territory），每條染色質(zhì)進一步分層級折疊成復雜而有序的三維高級結構，這些穩(wěn)定的高級結構及其核內(nèi)空間定位與 DNA重組與復制、基因的轉(zhuǎn)錄甚至翻譯等密切相關。大量研究發(fā)現(xiàn)，很多調(diào)控因子都是依賴著染色

2、質(zhì)三維空間結構來發(fā)揮功能。
　　染色體構象捕獲技術3C（Chromosome Conformation Capture）是2002年出現(xiàn)的研究染色質(zhì)折疊的核心生化技術，近年來隨著3C的衍生技術如4C、5C、Hi-C、Capture-C以及考察特定蛋白介導染色質(zhì)互作的 ChIA-PET等分子圖譜（Mapping）以及DNA-FISH等不同類型的成像（Imaging）技術的迅速發(fā)展，人們對染色質(zhì)折疊的認識不斷加深。目前普遍認為：有絲分

3、裂間期染色質(zhì)的折疊包含染色質(zhì)領域（chromosome territory）、拓撲結構域（TAD）、染色質(zhì)環(huán)（chromatin loop）等從大到小不同層級的結構單元，作為基因組序列及其DNA和組蛋白修飾、染色質(zhì)調(diào)控蛋白的結合等的最終載體和響應器（carrier&responser）或“集大成者”（moderator），基因組的復雜三維高級結構與組蛋白修飾、DNA甲基化、DNase敏感性等基因組其它組學特征以及基因的復制、轉(zhuǎn)錄等基因組

4、功能特征密切相關。
　　順式調(diào)控元件 CREs(cis-regulatory elements)往往指的是與結構基因串聯(lián)的特定非編碼DNA序列，它們通過與轉(zhuǎn)錄因子等的結合而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的精確起始和轉(zhuǎn)錄效率，從而參與基因表達的調(diào)控。根據(jù)序列組成等特性，可以將其分為常見的啟動子、終止子、增強子、絕緣子、邊界元件、基因組座位調(diào)控元件以及重復元件、核基質(zhì)附著區(qū)等不同類型。其中重復元件（repeat elements）在基因組中多次重復出現(xiàn)

5、，包含了大量的有著不同的結構和來源的DNA元件，在真核生物基因組中的比例可達到一半以上。根據(jù)片段長度及生物學特性，重復元件可進一步分成串聯(lián)重復序列及轉(zhuǎn)座元件等。由于受到測序讀長、比對等技術手段的限制，人們對于重復元件在基因組中發(fā)揮的功能和機制目前還知之甚少，需要進一步發(fā)掘。核基質(zhì)附著區(qū)（MARs）是一類在不同物種與組織細胞的基因組中廣泛存在的、富含 AT序列且與核基質(zhì)緊密結合的 DNA元件。目前認為MARs元件一方面可能作為染色質(zhì)三維折

6、疊的結構單元，對于建立和維持染色質(zhì)領域發(fā)揮著作用；另一方面可能作為基因表達調(diào)控的功能性單元，通過與核基質(zhì)等結合，調(diào)節(jié)基因表達。
　　本研究以染色質(zhì)三維結構實驗數(shù)據(jù)為基礎，通過多組學數(shù)據(jù)整合分析，從基因組序列特征出發(fā)，考察了多種不同順式調(diào)控元件在染色質(zhì)三維折疊中的可能作用，以及染色質(zhì)三維結構對這些元件演化等潛在影響，為進一步深入了解不同元件在染色質(zhì)三維高階結構的建立、維持以及傳遞等過程中可能的作用奠定了基礎。
　　本論文的主要

7、研究內(nèi)容如下：
　　開發(fā)了Hi-C數(shù)據(jù)處理的一站式軟件HBP。建立了針對特殊順式調(diào)控元件的研究方法，開發(fā)了能夠系統(tǒng)考察特殊順式調(diào)控元件參與的染色質(zhì)相互作用的處理軟件HBP（Hi-C BED file analysis Pipeline），通過簡單的操作即可實現(xiàn)針對不同元件的處理和分析。HBP作為一款開源、靈活、高度優(yōu)化的一站式處理平臺，能夠有效地分析全基因組三維高級結構特點及特殊序列元件參與的染色質(zhì)相互作用，大大方便了針對特定相關

8、區(qū)域染色質(zhì)折疊的系統(tǒng)研究。作為一個簡便、高效、可靠的工具，HBP能夠通過整合組蛋白修飾一級 ChIP-seq、RNA-seq等其它組學數(shù)據(jù)，針對特定區(qū)域的染色質(zhì)相互作用進行大規(guī)模系統(tǒng)挖掘與分析，對潛在分子機制以及生物學意義等進行多方面的研究。
　　基于染色質(zhì)三維結構對部分重復元件進行了研究。重復元件在各類物種基因組中廣泛分布且種類繁多，不同種類之間序列功能各異。本研究探索了與染色質(zhì)三維結構高度相關的一些重復元件子類，發(fā)現(xiàn)了包括Al

9、u等在內(nèi)的重復元件廣泛地參與了染色質(zhì)的三維折疊。首次從染色質(zhì)三維結構的空間距離層面，系統(tǒng)考察了相鄰重復元件子類間的演化過程，發(fā)現(xiàn)在一維序列演化關系上相對靠近的子類，在三維空間結構上的相互作用強度相對較高，提示重復元件的進化歷程可能與基因組三維高級結構的形成密切相關。
　　基于染色質(zhì)三維結構對核基質(zhì)附著區(qū)進行了研究。核基質(zhì)附著區(qū) MARs（Matrix Associated Regions）在不同的物種間廣泛存在，雖然存在AT序列相

10、對富集等共同序列特征，卻沒有發(fā)現(xiàn)顯著保守性等其它結構特征，此外其在細胞核內(nèi)的功能和機制也尚無定論。本研究針對MARs元件，從相互作用頻率分布、網(wǎng)絡拓撲結構及潛在生物學功能等三方面進行了探索。發(fā)現(xiàn) MARs元件與染色質(zhì)三維結構高度相關，且在高強度相互作用中占據(jù)著較大的比例，提示MARs元件對染色質(zhì)折疊具有重要影響。同時，拓撲結構聚類分析證實MARs元件可以分為不同類型，包括了維持染色質(zhì)領域及高級空間構象等方面的結構單元部分以及調(diào)控基因表達

11、等方面的功能單元部分，提示不同類型 MARs元件在基因組細胞核高級結構及功能上可能發(fā)揮不同的作用。
　　綜上所述，本課題以染色質(zhì)三維結構為基礎，以研究不同順式調(diào)控元件在染色質(zhì)三維結構中發(fā)揮的作用為目的，開發(fā)了特定的Hi-C數(shù)據(jù)分析處理軟件HBP，建立了多組學數(shù)據(jù)的整合分析方法，并且對部分重復元件及核基質(zhì)附著區(qū)與基因組三維高級結構的關系等進行了分析，發(fā)現(xiàn)了一些與染色質(zhì)三維結構高度相關的現(xiàn)象，為進一步的染色質(zhì)高階構象及構成元件結構與功