特殊順式調(diào)控元件與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu).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(xì)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(xì)胞核內(nèi)分別占據(jù)一個相對獨(dú)立但又相對固定的空間位置即染色體領(lǐng)域CT（Chromatin Territory），每條染色質(zhì)進(jìn)一步分層級折疊成復(fù)雜而有序的三維高級結(jié)構(gòu)，這些穩(wěn)定的高級結(jié)構(gòu)及其核內(nèi)空間定位與 DNA重組與復(fù)制、基因的轉(zhuǎn)錄甚至翻譯等密切相關(guān)。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(jié)構(gòu)來發(fā)揮功能。
　　染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)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(shù)，近年來隨著3C的衍生技術(shù)如4C、5C、Hi-C、Capture-C以及考察特定蛋白介導(dǎo)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(shù)的迅速發(fā)展，人們對染色質(zhì)折疊的認(rèn)識不斷加深。目前普遍認(rèn)為：有絲分

3、裂間期染色質(zhì)的折疊包含染色質(zhì)領(lǐng)域（chromosome territory）、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TAD）、染色質(zhì)環(huán)（chromatin loop）等從大到小不同層級的結(jié)構(gòu)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(jié)合等的最終載體和響應(yīng)器（carrier&responser）或“集大成者”（moderator），基因組的復(fù)雜三維高級結(jié)構(gòu)與組蛋白修飾、DNA甲基化、DNase敏感性等基因組其它組學(xué)特征以及基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等基因組

4、功能特征密切相關(guān)。
　　順式調(diào)控元件 CREs(cis-regulatory elements)往往指的是與結(jié)構(gòu)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(jié)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(dá)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(qiáng)子、絕緣子、邊界元件、基因組座位調(diào)控元件以及重復(fù)元件、核基質(zhì)附著區(qū)等不同類型。其中重復(fù)元件（repeat elements）在基因組中多次重復(fù)出現(xiàn)

5、，包含了大量的有著不同的結(jié)構(gòu)和來源的DNA元件，在真核生物基因組中的比例可達(dá)到一半以上。根據(jù)片段長度及生物學(xué)特性，重復(fù)元件可進(jìn)一步分成串聯(lián)重復(fù)序列及轉(zhuǎn)座元件等。由于受到測序讀長、比對等技術(shù)手段的限制，人們對于重復(fù)元件在基因組中發(fā)揮的功能和機(jī)制目前還知之甚少，需要進(jìn)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(xì)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(jié)合的 DNA元件。目前認(rèn)為MARs元件一方面可能作為染色質(zhì)三維折

6、疊的結(jié)構(gòu)單元，對于建立和維持染色質(zhì)領(lǐng)域發(fā)揮著作用；另一方面可能作為基因表達(dá)調(diào)控的功能性單元，通過與核基質(zhì)等結(jié)合，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。
　　本研究以染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過多組學(xué)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(jié)構(gòu)對這些元件演化等潛在影響，為進(jìn)一步深入了解不同元件在染色質(zhì)三維高階結(jié)構(gòu)的建立、維持以及傳遞等過程中可能的作用奠定了基礎(chǔ)。
　　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(shí)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(guān)

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(xué)數(shù)據(jù)，針對特定區(qū)域的染色質(zhì)相互作用進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)挖掘與分析，對潛在分子機(jī)制以及生物學(xué)意義等進(jìn)行多方面的研究。
　　基于染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)對部分重復(fù)元件進(jìn)行了研究。重復(fù)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(jié)構(gòu)高度相關(guān)的一些重復(fù)元件子類，發(fā)現(xiàn)了包括Al

9、u等在內(nèi)的重復(fù)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(jié)構(gòu)的空間距離層面，系統(tǒng)考察了相鄰重復(fù)元件子類間的演化過程，發(fā)現(xiàn)在一維序列演化關(guān)系上相對靠近的子類，在三維空間結(jié)構(gòu)上的相互作用強(qiáng)度相對較高，提示重復(fù)元件的進(jìn)化歷程可能與基因組三維高級結(jié)構(gòu)的形成密切相關(guān)。
　　基于染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)對核基質(zhì)附著區(qū)進(jìn)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(jié)構(gòu)特征，此外其在細(xì)胞核內(nèi)的功能和機(jī)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及潛在生物學(xué)功能等三方面進(jìn)行了探索。發(fā)現(xiàn) MARs元件與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)高度相關(guān)，且在高強(qiáng)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(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聚類分析證實(shí)MARs元件可以分為不同類型，包括了維持染色質(zhì)領(lǐng)域及高級空間構(gòu)象等方面的結(jié)構(gòu)單元部分以及調(diào)控基因表達(dá)

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(xì)胞核高級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以研究不同順式調(diào)控元件在染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)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(xué)數(shù)據(jù)的整合分析方法，并且對部分重復(fù)元件及核基質(zhì)附著區(qū)與基因組三維高級結(jié)構(gòu)的關(guān)系等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了一些與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)高度相關(guān)的現(xiàn)象，為進(jìn)一步的染色質(zhì)高階構(gòu)象及構(gòu)成元件結(jié)構(gòu)與功