Hi-C是染色質(zhì)構象捕獲技術(shù)結合高通量測序的一種技術(shù)，實(shí)現了全基因組范圍內的染色體片段間的相互作用的捕獲。主要是將空間結構臨近的DNA片段進(jìn)行交聯(lián)，并將交聯(lián)的DNA片段富集，然后進(jìn)行高通量測序，對測序數據進(jìn)行分析，即可揭示染色體片段間的交互信息，闡述染色體三維結構。
作為染色體三維結構與互作研究的利器，Hi-C技術(shù)常常與WGS、WGBS、chip-seq、DNase-seq/ATAC-seq、RNA-seq等技術(shù)聯(lián)合使用，從DNA線(xiàn)性序列、表觀(guān)修飾、組蛋白修飾、三維構象、轉錄調控等多組學(xué)層面，研究腫瘤/疾病發(fā)生發(fā)展機制、分化發(fā)育機制、畸變機制等。
今天就給大家介紹一篇發(fā)表于NC的Hi-C+WGS+RNA-seq+Chip-seq聯(lián)合研究腫瘤發(fā)生機制的經(jīng)典文章。
研究背景
由基因組不穩定和有絲分裂缺陷引起的非整倍體可能會(huì )導致CNV，進(jìn)而影響癌癥相關(guān)基因的mRNA和蛋白表達以及下游增殖通路，也可能進(jìn)一步誘導染色體錯誤分離和基因組不穩定性，從而促進(jìn)腫瘤細胞進(jìn)化。但是非整倍體在癌癥發(fā)生和發(fā)展中的作用仍知之甚少。
基因組的三維構象與癌癥基因組的改變之間相互影響，比如A/B compartment轉換與基因表達的變化有關(guān)，易位容易發(fā)生在空間鄰近度較高的區域的雙鏈斷點(diǎn)熱點(diǎn)。
在這里，作者對兩個(gè)非整倍體多發(fā)性骨髓瘤（MM）細胞系進(jìn)行了Hi-C、全基因組測序（WGS）和RNA測序，并結合一些數據庫中的相關(guān)數據進(jìn)行了整合分析，以更好地解析非整倍體癌癥的分子機制。
研究方法
材料：
兩種代表亞型的骨髓瘤細胞系——近三倍體RPMI-8226、近二倍體U266
測序：
Hi-C：400 M reads /樣本（40 kb分辨率）
WGS：600 M reads /樣本（50×）
RNA-seq：20 M reads /樣本（6G）
數據庫數據：
U266細胞系的ChIP-seq 數據；
正常淋巴母細胞樣B細胞（GM12878）的Hi-C、WGS、RNA-seq、ChIP-seq數據；
研究結果
1、染色體間易位影響基因組三維構象
在RPMI-8226中,WGS鑒定出56個(gè)染色體間易位事件,其中四個(gè)也在top?100的Hi-C染色體間互作中，其中包括RPMI-8226的光譜核型(SKY)圖像中檢測到t(16,22)(q23,q11)的易位，涉及MM相關(guān)基因WWOX和MAF。在U266細胞中,鑒定到了80個(gè)受易位事件影響的基因,包括癌癥相關(guān)基因TNIK、FBXW7、TRIM2，其中包含一些之前研究未發(fā)現的MM相關(guān)基因。此外距離易位位點(diǎn)1 Mb的基因中，有一半以上是相比于正常B細胞差異表達的。MM細胞系的染色體間整體互作count明顯高于正常B細胞?？偟膩?lái)說(shuō)，這些結果表明，癌細胞基因組三維構象受到染色體間易位的影響。
2、CNV斷點(diǎn)與TAD邊界相關(guān)聯(lián)
在RPMI-8226細胞中，WGS識別到了596個(gè)CNV斷點(diǎn)，Hi-C識別到了3457個(gè)TAD邊界，比較發(fā)現CNV斷點(diǎn)常出現在TAD邊界附近。7.5%CNV斷點(diǎn)同時(shí)也是TAD邊界，30.7%CNV斷點(diǎn)位于TAD邊界120kb內。CNV斷點(diǎn)與其最近的TAD邊界之間的距離明顯小于位置隨機斷點(diǎn)。U266細胞中的結果與RPMI-8226細胞中的相似，說(shuō)明MM細胞CNV斷點(diǎn)與TAD邊界的相關(guān)性。而對正常B細胞中骨髓瘤CNV斷點(diǎn)處的平均絕緣分值的分析表明，正常細胞中TAD邊界也與癌癥CNV斷點(diǎn)有關(guān)。因此正常細胞中CNV斷點(diǎn)容易發(fā)生在TAD邊界，或者TAD在從正常向腫瘤的轉化過(guò)程中對破壞具有抵抗能力。
3、compartments A/B轉換與基因表達變化
結合Hi-C、RNA-seq數據，作者對MM細胞與淋巴母細胞樣B細胞系(GM12878)進(jìn)行了比較，發(fā)現與正常B細胞相比，大多數基因組區域在MM細胞中保持相同的compartments。共有8%的基因組區域從正常B細胞的compartment?A在MM細胞中轉換為compartment?B，并與下調基因表達相關(guān)。24%的基因組區域從compartment?A轉換為compartment?B，并與上調基因表達相關(guān)。
此外，GM12878、RPMI-8226和U266細胞中分別識別出了2756、3457和3342個(gè)TAD，TAD大小中值分別為800?kb、600?kb和640 kb。兩種MM細胞TAD數量較B細胞均增加1.2倍，且MM細胞TAD長(cháng)度較小。作者在3個(gè)樣本中鑒定出1281個(gè)保守TAD（TAD重疊超過(guò)70%），而僅在2個(gè)MM細胞存在的保守TAD有740個(gè)。
這些結果表明，MM細胞的三維基因組結構發(fā)生了重組，并與基因表達調控有關(guān)。
4、染色質(zhì)構象與MM病理
為了探討B(tài)細胞與MM細胞之間三維基因組變化導致的功能性影響，作者對位于MM細胞中6%的compartment B to A的基因組區域中的基因，以及1%的compartment A to B的基因進(jìn)行KEGG通路分析。通路富集分析顯示，這些基因與MM相關(guān)通路密切相關(guān)，包括MAPK信號通路、N-glycan生物合成、TNF信號通路、細胞因子-細胞因子受體相互作用通路。
在A(yíng)/B?compartment轉換區域內，發(fā)現了一個(gè)位于2q11.2-q12.1上的細胞因子受體基因簇，這個(gè)區域在正常B細胞中屬于compartment A，但在MM細胞中均為compartment B，并且與基因表達下調有關(guān)，包括多個(gè)白介素IL1R1、IL1R2、IL18R1和細胞因子MAP4K4。這個(gè)位點(diǎn)的基因表達的變化與TAD結構、表觀(guān)遺傳標記相關(guān)聯(lián)，但與拷貝數變化不相關(guān)。TAD邊界與在癌細胞中發(fā)生變化的IL1R2基因接近，癌細胞中活躍增強子標記H3K27ac 和H3K4me1的信號減弱。結合Hi-C數據、WGS數據和基因表達數據，可以在TAD和基因水平上將MM細胞中的空間紊亂和基因表達變化相關(guān)聯(lián)。
小結
作者通過(guò)Hi-C對MM的三維基因組進(jìn)行了研究，并聯(lián)合WGS、RNA-seq、Chip-seq分析了三維結構（compartment、TAD）、CNV、易位和基因表達之間的關(guān)系，從而識別MM相關(guān)的通路和關(guān)鍵基因。這些發(fā)現拓展了對MM的發(fā)生機制以及非整倍體癌癥基因組的空間無(wú)序性的認識，對MM的臨床治療和藥物開(kāi)發(fā)有一定的啟示。
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