#3D基因组 #表观遗传

本篇简单介绍3D基因组在近期主流的两个获得数据的手段：Hi-C及ATAC-seq。

首先需要理清几个概念：

1. 染色体疆域（Territory）：指每条染色体都占据着一个独特的区域，同一染色体上的交互频率高于不同染色体之间的交互频率，且交换频率与基因座之间的线性距离近似服从幂次定律（Power Law）。

2. 拓扑相关结构域（Topologically Associating Domains, TAD）：是由遗传编码的边界元件定义，构成染色体。其边界富集 CTCF的结构域、大量的持家基因、tRNAs、SINE 反转录转座子等 DNA 元件。

3. CTCF（CCCTC binding factor）：绝缘子结合蛋白，能够基因编码的转录因子，与靶顺式元件的结合可阻断增强子和启动子的相互作用，从而将增强子的活性限制在一定的功能区域。

4. Chromatin Looping：染色质成环，调控元件与其靶基因进行通信的主要机制之一，这使得线性距离很远的基因座在空间上密切接近。

5. 基因组隔间（Genome Compartments）：根据互作图谱，能够将基因组近似分为A（常染色质-转录活跃区域），B（异染色质-转录非活性区）。

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3D基因组主要依据染色体构象捕获技术（Capturing Chromosome Conformation），用于解释细胞内DNA物理长度与细胞核直径之间及功能复杂性之间的矛盾，大致的实验技术主要包括：

1. 3C (Chromatin Conformation Capture)，one-to-one：通过基因座特异性引物PCR检测单个连接产物，大多数3C通常仅能分析几十到几百Kb染色质之间的相互作用。

2. 4C (Circularized Chromatin Conformation Capture)，one-to-all：使用反向PCR产生单基因座的全基因组相互作用图，研究已知DNA片段（bait）与全基因组未知DNA片段之间的互作。

3. 5C (Chromatin Conformation Capture Carbon Copy)，many-to-many：基于3C的基本原理，结合连接介导的扩增 （ligation-mediated amplification，LMA）来增加3C检测的通量，识别两组大量位点之间并行的数百万个相互作用。

4. Hi-C（High-throughput chromosome conformation capture），all-to-all：用于对整个基因组所有位点间进行无偏差的作用分析的3C衍生技术。

5. ATAC-Seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high throughput sequencing）及结合免疫沉淀相关技术包含ChIP-loop（chromatin immunoprecipitation-loop assay）、ChIA-PET（chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing）等。

Hi-C技术能够应用的方面包括辅助基因组组装、 研究基因间空间调控机制/构建基因组三维结构模型 、构建基因组单体型图谱。而ATAC-Seq能够探究染色质的开放性、开放区域定位、TF footprint、核小体定位、调控元件定位。两者都是通过特定的手段获得互作片段，通过二代测序获得高通量数据。Hi-C着重于互作矩阵的分析及图谱构建，而ATAC-Seq着重于对开放片段的分布及功能分析。

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