诺禾HiC技术绘制12种脊椎动物3D基

基因组信息如何指导基因在特定空间和时间表达的机理仍有待进一步深入研究。“结构决定功能”是认识自然规律中的一个共识，动物基因组在细胞核中不是随机分布的，而是排列成具有重要功能意义的高级染色质结构，染色质构象与基因表达调控密切相关，然而目前还有许多物种的染色质构象仍不清楚，且对进化过程中这些染色质结构单元的变化也知之甚少。Hi-C技术推动了三维基因组学的研究，实现了全基因组范围内染色体片段间相互作用的捕获，十多年的时间，该项技术广泛应用于构建基因转录调控的交互图谱，染色质结构的进化，转录调控研究等领域。

近日，四川农业大学李明洲教授团队、中科院大学人工智能学院张治华研究员团队以及诺禾致源研发合作中心田仕林研究员团队共同利用12种主要脊椎动物的Hi-C数据，绘制了不同物种3D基因组结构的图谱，探索动物进化与三维基因组结构的关系，扩展了人们对基因组结构形成机制的理解，为农业动物重要经济性状的三维基因组学研究提供了参考依据。研究结果以题为Comparative3Dgenomearchitectureinvertebrates发表在国际权威期刊BMCBiology上，首次揭示了染色质构象不同结构单元在进化过程中的保守性及其相关功能。

该研究对来自于12种脊椎动物（图1）的31个成纤维细胞系进行了基于高通量染色质构象捕获(Hi-C)数据的比较三维基因组分析，包括两个代表性的哺乳动物谱系：灵长总目(包括人类、恒河猴、小鼠、大鼠和兔子)和北方兽类(包括狗、猫、猪、羊和牛)，以及两种非哺乳动物——鸟类(鸡)和鱼类(斑马鱼)，揭示了决定跨物种功能基因保守性和转录调控的结构特征。

图1染色体长度可能影响脊椎动物的染色体结构

该研究首先对12个物种的全基因组染色体内互作模式进行了分析，发现较长的染色体通常具有更高的远距离互作频率、更低的延展性和更紧缩的染色体疆域分布，提示染色体长度影响脊椎动物整体染色质构象的可能。进一步构建了染色体间互作网络图，发现染色体疆域具有强烈的非随机分布特征，且长度相近的染色体间的互作频率更高。此外，研究团队利用染色体间互作网络的两个参数——即聚类系数（Clusteringcoefficient，反映任意两个位点倾向于聚集的程度）和平均度（Averagedegree，表示互作网络中与每个位点互作的节点数）来反映染色体间的空间物理接近性。通过物种间两个参数的比较发现，与鸡和斑马鱼相比，哺乳动物染色体间的连通性相对较弱，且这种染色体间连通性与物种的基因组大小显著相关。基于蛋白编码基因的染色体间互作相似性的层次聚类树与12个物种的系统发育树高度一致（图2），提示我们空间上聚集的基因可能具有共调控作用，且这种共调控作用在物种间具有普遍性。图2染色体间基因-基因互作的种间比较

在局部的空间互作层面上，研究团队对10个哺乳动物的共线性区域（约占各物种基因组的30%左右）分析了其染色质活性状态和绝缘性在物种间的相似性，表明进化上更接近的物种，其局部空间环境模式具有更高的相似性。大多数共线性区域在10个哺乳动物中具有一致的染色质状态，近一半的区域具有保守的绝缘性，且这些进化上保守的染色质区室和绝缘状态在不同的组织或细胞类型中也倾向于维持其保守性（图3）。而那些具有物种特异性进化模式的区域可能包含与物种表型多样性相对应的具有不同功能的基因。

图3不同物种

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