一当窗、染色質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
????????染色質(zhì)是DNA和蛋白質(zhì)的復(fù)合物撬槽，遺傳物質(zhì)被包裝在生物細(xì)胞內(nèi)核峡谊。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的并且精確調(diào)控基因表達(dá)及基本的細(xì)胞進(jìn)程。其結(jié)構(gòu)的變化可以被下一代遺傳姓赤。
1.染色質(zhì)的折疊
????????染色質(zhì)的基本組成單位是核小體赡译，核小體由165bp的DNA螺旋纏繞核心組蛋白（核心組蛋白由兩個(gè)H2A、H2B不铆、H3蝌焚、H4組成的組蛋白八聚體構(gòu)成）兩圈構(gòu)成裹唆。這個(gè)結(jié)構(gòu)使DNA濃縮了5-10倍。DNA纏繞在組蛋白八聚體的表面只洒，可能被一些調(diào)節(jié)蛋白調(diào)控许帐。組蛋白的尾端也可以被一些蛋白修飾（如甲基化，乙醣锨矗化成畦，磷酸化，泛素化等）涝开，促使核小體運(yùn)動(dòng)或者解開(kāi)循帐，進(jìn)而對(duì)染色體復(fù)合物產(chǎn)生影響。
????????核小體之間是通過(guò)一段10-80bp的DNA連接起來(lái)舀武。這些核小體進(jìn)一步螺旋折疊形成30nm的核纖維拄养，這個(gè)過(guò)程約將染色質(zhì)壓縮了50倍，這個(gè)30nm的核纖維是非常穩(wěn)定的奕剃，這是因?yàn)镠1組蛋白結(jié)合核小體之間衷旅，起到固定作用。關(guān)于這一結(jié)構(gòu)仍有多的爭(zhēng)論纵朋，染色質(zhì)纖維內(nèi)核小體包裝的細(xì)微點(diǎn)柿顶，和關(guān)于這些纖維進(jìn)一步發(fā)展的方式知之甚少。
????????核纖維經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的折疊形成約300nm的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)操软，這就是細(xì)胞正常狀態(tài)下嘁锯，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)。我們可以看到染色質(zhì)是由許多環(huán)形的核纖維組成聂薪。下圖蠑螈卵母細(xì)胞的燈刷染色體可以清楚地看到染色質(zhì)的環(huán)形結(jié)構(gòu)家乘。
????????????????當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂時(shí)，染色質(zhì)進(jìn)一步折疊壓縮形成染色體藏澳。
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二仁锯、3D基因組的結(jié)構(gòu)與組成
????????生命體的遺傳功能元件，包括編碼基因翔悠、非編碼基因业崖、順式調(diào)控元件等，在空間結(jié)構(gòu)上蓄愁，并不是在染色體上呈線性地一字依次排開(kāi)双炕，而是隨著DNA形成復(fù)雜高級(jí)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，具備了三維組織形式撮抓。
????????如下圖所示妇斤，DNA雙鏈像糾纏在一起的電話線一樣，一圈圈地螺旋纏繞，壓縮站超，最終形成染色質(zhì)荸恕。我們可以看到30nm的核纖維經(jīng)過(guò)環(huán)形折疊形成染色質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)使得一維層面上相隔比較遠(yuǎn)的DNA區(qū)域反而靠的更近顷编。比如下圖中的ABCD四個(gè)點(diǎn)戚炫，若以A為參照物剑刑，C比B遠(yuǎn)媳纬，但由于基因組形成了高級(jí)結(jié)構(gòu)，反而把A和C拉得更近施掏。這個(gè)示意圖還提示了另外一個(gè)問(wèn)題钮惠，即同一條染色體上的某些區(qū)域，可能很難互相接觸七芭，比如B和D之間就素挽，被環(huán)狀結(jié)構(gòu)給隔開(kāi)了。
????????這種相對(duì)穩(wěn)定的高級(jí)結(jié)構(gòu)狸驳，是由蛋白質(zhì)來(lái)維持的预明。這些蛋白大多是一些DNA轉(zhuǎn)錄因子、輔助因子等調(diào)控元件耙箍，其中CTCF是一個(gè)重要的成環(huán)蛋白撰糠。除了這些調(diào)控元件外，還有需要一類重要的蛋白去穩(wěn)固這種高級(jí)結(jié)構(gòu)辩昆，這類重要的蛋白就是黏著蛋白阅酪，它由SMC1、SMC3汁针、RAD21和STAG1/2組成术辐，其中SMC1和SMC3頭尾相連組成一個(gè)環(huán)形，兩蛋白的尾部是由相互作用的施无，緊密靠在一起辉词，其頭部游離，RAD21與兩個(gè)蛋白的頭部相結(jié)合猾骡，STAG1/2蛋白進(jìn)一步加固結(jié)合瑞躺。黏著蛋白是一個(gè)蛋白復(fù)合物，它像戒指一樣固定在環(huán)的開(kāi)口處卓练，維持環(huán)的穩(wěn)定性隘蝎，標(biāo)志性的黏著蛋白為RAD21蛋白。
????????這種環(huán)形結(jié)構(gòu)在體內(nèi)并不是松散排布的襟企。這些環(huán)形的染色質(zhì)折疊讓一些DNA片段彼此靠近并發(fā)生互作嘱么，這樣的區(qū)域稱為拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域TAD，TAD是非常長(zhǎng)的DNA片段顽悼，在其中DNA形成了包含組蛋白曼振、調(diào)節(jié)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子的大型三維結(jié)構(gòu)几迄。每個(gè)TAD包含一個(gè)或多個(gè)基因連同其所有的調(diào)控元件。它們的結(jié)構(gòu)在進(jìn)化上是保守的冰评，可能存在于不同的細(xì)胞類型以及各種物種中映胁。一段TAD內(nèi)的調(diào)控元件只能在“它們”的TAD中起作用；相反甲雅，在鄰近TAD中的基因不受它們的影響解孙。TADs通過(guò)許多邊界元件隔開(kāi)的，其中CTCF就是一個(gè)重要的TAD邊界元件抛人。
三弛姜、3D基因組的調(diào)控模型
????????我們已經(jīng)知道，染色質(zhì)是由獨(dú)立功能單元TADs（拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域）組成的妖枚，TAD是由多個(gè)相互靠近的功能環(huán)組成廷臼。因此。我們研究3D基因組绝页，實(shí)際上是研究DNA的功能環(huán)機(jī)構(gòu)荠商，前面我們已經(jīng)了解到染色質(zhì)的環(huán)形結(jié)構(gòu)包括DNA，調(diào)節(jié)蛋白及黏著蛋白续誉。下面我們來(lái)了解一下染色質(zhì)功能環(huán)的幾種基本模型莱没。
????????A圖為典型的絕緣子調(diào)控模型，其中CTCF是一種重要的絕緣子蛋白屈芜。當(dāng)CTCF蛋白成環(huán)時(shí)郊愧，CTCF在空間上阻隔了增強(qiáng)子與基因啟動(dòng)子之間的聯(lián)系，RNA聚合酶II無(wú)法招募足夠的轉(zhuǎn)錄因子井佑，以致于基因無(wú)法正常轉(zhuǎn)錄属铁。當(dāng)CTCF環(huán)打開(kāi)后，增強(qiáng)子與基因啟動(dòng)子之間的阻隔消失躬翁，增強(qiáng)子招募激活型轉(zhuǎn)錄因子焦蘑，與RNA聚合酶II互作，開(kāi)啟基因轉(zhuǎn)錄盒发。
????????B圖為經(jīng)典的遠(yuǎn)程增強(qiáng)子調(diào)控模型例嘱。這類模型的調(diào)控模式與A圖相對(duì)，它是成環(huán)后增強(qiáng)基因的表達(dá)宁舰，而不是抑制拼卵。其中的調(diào)節(jié)蛋白不再是CTCF蛋白，而是一些轉(zhuǎn)錄因子等其他調(diào)控元件蛮艰。在DNA的一維結(jié)構(gòu)上腋腮，增強(qiáng)子與基因啟動(dòng)子相隔較遠(yuǎn)，在沒(méi)有成環(huán)的條件，增強(qiáng)子無(wú)法啟動(dòng)基因表達(dá)即寡。但當(dāng)環(huán)形成后徊哑，遠(yuǎn)程增強(qiáng)子與基因啟動(dòng)子的距離被拉進(jìn)，增強(qiáng)子與RNA聚合酶II互作聪富，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄莺丑。
四、3D基因組模型構(gòu)建實(shí)例
????????基因組的三維構(gòu)型是復(fù)雜的墩蔓，動(dòng)態(tài)的梢莽，且對(duì)基因調(diào)控至關(guān)重要。在過(guò)去的幾年中钢拧，染色體構(gòu)象捕獲方法和顯微技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步揭示了基因組如何與核結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系蟹漓，也部分解釋了細(xì)胞類型之間以及細(xì)胞分化和發(fā)育過(guò)程中基因組發(fā)生的變化。
1.癌癥模型中CTCF環(huán)模型
①CTCF位點(diǎn)超甲基化模型
????????這是一個(gè)遠(yuǎn)程增強(qiáng)子互作模型源内，我們可以看到左側(cè)是Hi-C與ChIP-seq聯(lián)合分析的結(jié)果，我們從中明確了增強(qiáng)子份殿，絕緣子與基因的位置線性關(guān)系和3維結(jié)構(gòu)關(guān)系膜钓。從而分析出有圖的模型。從模型中我們得知卿嘲，在正常細(xì)胞中颂斜，CTCF穩(wěn)定成環(huán)，使得原癌基因無(wú)法表達(dá)拾枣。IDH突變的神經(jīng)膠質(zhì)瘤中沃疮，CTCF位點(diǎn)也就是絕緣子被甲基化，CTCF成環(huán)消失梅肤，染色質(zhì)變松散司蔬，原癌基因受到遠(yuǎn)程增強(qiáng)子的調(diào)控，表達(dá)增強(qiáng)姨蝴。
②CTCF位點(diǎn)SNP突變模型
????????這是一個(gè)CTCF絕緣子上的SNP位點(diǎn)突變俊啼，導(dǎo)致原癌基因表達(dá)的模型，在正常條件下左医，CTCF結(jié)合在絕緣子處授帕，阻礙了增強(qiáng)子與原癌基因的互作，使原癌基因沉默浮梢。當(dāng)絕緣子上的SNP位點(diǎn)突變后跛十，CTCF無(wú)法結(jié)合，增強(qiáng)子促進(jìn)原癌基因表達(dá)秕硝。
2.CTCF環(huán)內(nèi)部調(diào)控模型
????????這是一個(gè)遠(yuǎn)程增強(qiáng)子互作模型芥映，我們可以看到左側(cè)是Hi-C與ChIP-seq聯(lián)合分析的結(jié)果，我們從中明確了增強(qiáng)子，絕緣子與基因的位置線性關(guān)系和3維結(jié)構(gòu)關(guān)系屏轰。從而分析出有圖的模型颊郎。從模型中我們得知，在正常細(xì)胞中霎苗，CTCF穩(wěn)定成環(huán)姆吭，使得原癌基因無(wú)法表達(dá)。IDH突變的神經(jīng)膠質(zhì)瘤中唁盏，CTCF位點(diǎn)也就是絕緣子被甲基化内狸，CTCF成環(huán)消失，染色質(zhì)變松散厘擂，原癌基因受到遠(yuǎn)程增強(qiáng)子的調(diào)控昆淡，表達(dá)增強(qiáng)。
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????????這是一個(gè)CTCF環(huán)內(nèi)部的調(diào)控模型刽严，從左圖的Hi-C與ChIP-seq聯(lián)合分析結(jié)果得P53成環(huán)在CTCF成環(huán)的內(nèi)部昂灵，且成環(huán)對(duì)P53有依賴性。當(dāng)P53低表達(dá)時(shí)舞萄，環(huán)會(huì)消失眨补，當(dāng)P53高表達(dá)時(shí)環(huán)形成，當(dāng)環(huán)形成時(shí)倒脓，增強(qiáng)子與基因距離拉進(jìn)撑螺，基因轉(zhuǎn)錄。
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