三维基因组研究技术和应用领域

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三维基因组研究技术和应用领域

摘要：三维基因组学是一门研究基因组三维空间结构与功能的新兴学科，主要研究基因组序列

在细胞核内的三维空间构象，及其对 DNA 复制、DNA 重组、基因表达调控等生物过程的生物

学效应。自染色质构象捕获技术（3C）出现后，三维基因组学相关研究领域飞速发展。借助于

3C 及其衍生技术、Hi-C 和ChIA-PET 等技术，科学家能对各类物种的三维基因组进行更为深

入的研究，从而揭示微生物、植物和动物基因组的空间构象、染色质的相互作用模式、转录调

控以及不同生物学性状的形成机制；挖掘与生命活动和疾病相关的关键基因和信号通路；推动

农业科学、生命科学和医学等领域的快速发展。文中就三维基因组学研究进展作一综述，主要

阐述三维基因组学的概念和研究技术的发展及其在农业科学、生命科学和医学等领域的应用，

尤其是肿瘤领域所取得的阶段性研究成果。

　　关键词：三维基因组；三维空间构象；基因表达调控；染色质构象捕获技术 3C; 肿瘤；

Abstract:Three-dimensional（3D ）genomics is an emerging discipline that studies the 3D spatial

structure and function of genomes, focusing on the 3D spatial conformation of genome sequences in

the nucleus and its biological effects on biological processes such as DNA replication, DNA

recombination and gene expression regulation. The invention of chromosome conformation

capture（3C ）technology speeds up the research on 3D genomics and its related fields. Furthermore,

the development of 3C-based technologies, such as the genome-wide chromosome conformation

capture（Hi-C ）and chromatin interaction analysis using paired-end tag sequencing（ChIA-

PET ）， help scientists get insight into the 3D genomes of various species. Aims of 3D genomics are

to reveal the spatial genome organization, chromosomal interaction patterns, mechanisms underlying

the transcriptional regulation and formation of biological traits of microorganism, plant, animal.

Additionally, the identification of key genes and signaling pathways associated with biological

processes and disease via chromosome 3C technology boosts the rapid development of agricultural

science, life science and medical science. This paper reviews the research progress of 3D genomics,

mainly in the concept of 3D genomics, the development of chromosome 3C technologies and their

applications in agricultural science, life science and medical science, specifically in the field of tumor.

Keyword:three-dimensional genomics; three-dimensional spatial conformation; gene expression

regulation; chromosome conformation capture technology; tumor;

基因组 DNA 在细胞核中并不是简单的线性状态，而是通过高度折叠、浓缩成具有特定高级空

间构象的染色质形式存在，并储存于细胞核内作为遗传信息的载体[1].基因组学就是将一个生

物体的所有基因进行集体表征和量化，研究基因组的结构、功能、进化、定位等问题，并分析

它们之间的相互关系以及对生物产生的影响[2].基因组学研究自启动以来已经经历了 30 年的发

展。1990 年，美国、英国、法国、德国、日本和中国科学家共同启动了"人类基因组计

划"（Human genome project,HGP）[3],该计划定义了人类基因组中的重要基因及线性结

构。2003 年，美国国家人类基因组研究所启动了"DNA 元件百科全书计划"（Encyclopedia of

DNA elements,ENCODE）[4],旨在解析人类基因组中的所有功能性元件，研究结果表明，80.4%

的人类基因组具有生物学活性，包括基因、转录本、转录调控元件、DNA 甲基化模式、组蛋

白修饰和染色质状态等。

随着基因组学的发展，科学家们对基因组的研究从一维（基因序列）、二维（不同序列的相互

作用）层面，逐渐深入到三维（染色质的空间构象）、四维（序列随时间的变化）层面。三维

基因组学是对基因组序列在细胞核内的三维空间构象，及其在基因复制、重组、表达等生物过

程中发挥的功能进行研究的新兴学科。2002 年，Dekker 等[5]提出染色质构象捕获技术

（Chromatin conformation capture,3C），三维基因组的相关研究飞速发展。在随后几年，基于

3C 的衍生测序技术如可实现一点到多点测序的环状染色质构象捕获技术（Circular chromatin

conformation capture technology,4C）[6]、可用于多点到多点测序的碳拷贝染色质构象捕获技术

（Chromatin conformation capture carbon copy technology,5C）[7]的出现，使得科学家们对染色

质三维结构及相互作用的认识愈加清晰。2009 年，Lander 与Dekker[8]研究组共同提出了高通

量染色体构象捕获（High-throughput chromosome conformation capture,Hi-C）技术，使得科学家

们对三维基因组学的认知取得突破性进展。在此基础上，Hi-C 衍生技术如原位Hi-C[9]、DLO

Hi-C （Digestion-ligation-only Hi-C）[10]、Ch IA-PET （Chromatin interaction analysis using

paired end tag sequencing）[11]等技术层出不穷。这些新兴技术的出现，使得科学家能够鉴定不

同基因、转录因子与调控元件之间的互作模式，挖掘关键基因或关键转录因子，进一步解读基

因的功能[12],为多组学协同开展染色质的互作分析（基因互作）、动植物性状的分析、疾病发

生机制的揭示等提供理论和技术支持。2015 年由Dekker 等[13]牵头，美国国家卫生研究院资助

的一个全新的全球合作项目--"4D 核体计划"开始实施，在未来的几年时间里科学家们将从空间

（三维）和时间（四维）角度来研究细胞核结构形成原理，探索细胞核对基因表达、细胞功能

以及发育和疾病发生的影响。"4D 核体计划"的发展，必能加深对生命科学的探索，加强对生命

现象和规律的认知，为生物学的发展带来新的契机。本文就三维基因组学研究进展作一综述，

包括三维基因组学及其研究技术的发展、三维基因组学在不同领域的应用，尤其是肿瘤领域所

取得的阶段性研究成果。

　　 1　三维基因组

真核生物的基因组通过线性 DNA 多层级地折叠成为染色质，以特定的三维空间构象存在于细

胞核内。染色质的三维结构影响着基因的表达调控、DNA 的复制及重组。Bickmore 等[14]对染

色体分裂间期的细胞核进行分析，发现细胞核内存在较长片段的核染色质区间和染色质疆域

（Chromosome territory,CT），同时存在短片段的增强子-启动子连接区域，这些染色质三维结

构对细胞的基因表达和调控具有重要影响。借助 Hi-C 等技术，科研人员们发现了拓扑关联结

构域（Topologically associated domains,TADs）的存在，TADs 作为基因组折叠的基本单位，稳

定存在于各类物种的细胞中，并在一定范围内影响基因的表达[15].细胞核内的 TADs 存在于相

对较大的结构单元--染色质区室（Chromatin compartment）中，染色质区室是基因组表观状态

的体现，与染色质活性密切相关。在 TADs 的内部还存在着更为精细的折叠结构，被称为染色

质环（Chromatin loop,CL），通常由启动子和增强子（远端）相互作用形成，是直接调控基因

表达的基础功能单元[16].

1.1 染色体疆域

早在20 世纪初，细胞学家对一些动植物细胞进行研究时，就发现染色质在细胞核内并不是随

机分布的，不同染色质占据不同的空间[17].Cremer 等[18]发现在活细胞的间期，细胞核内的染

色质组织占据了一块特定的不重合区域，并称此区域为染色质疆域（CT,图1）。CT 在细胞核

的定位与基因密度相关，低基因密度的染色质倾向于朝核外围定位，而高基因密度的染色质则

占据细胞核中更中心的位置[19],还有研究发现在不同的细胞复制时期和不同的基因类型中，CT

所占据的位置不同[20].每条染色质被限制在特定的核空间内，不同的染色质之间只有在 CT 边

界处才会重叠[21],CT 重叠区域的存在可能是由染色质纤维被动混合引起的，也可能受到细胞

的易位频率或转录状态的影响[22].CT 间的重叠程度对基因组的功能和稳定性都具有重要意义

[23].Mehta 等[24]研究了在 DNA 损伤修复过程中 CT 的变化，发现 DNA 损伤诱导了大规模的

CT 区域重新定位，其中包括部分CT 从核内部向外部转移，但这是一个可逆的过程，在修复结

束后，CT 会重新占据与未受损细胞类似的位置，这些研究进一步证明了 CT 在细胞核中存在的

稳定性。

1.2 染色体区室

当把染色质进行放大时，可以观察到在染色质内部仍然存在着相互间隔的"区块",相邻"区块"间

的互作模式各不相同，线性距离较远的"区块"也可以发生相互作用。2009 年，LiebermanAiden

等[8]首次利用Hi-C 技术揭示了这些"区块"的真面目，提出了染色质三维空间的另一个重要特

征，即染色质区室，并将这些区块划分为 A Compartment 和B Compartment 两类（图1）。A

Compartment 为开放染色质区室，与常染色质、基因富集区域以及转录活跃区域相关；而 B

Compartment 为封闭染色质区室，经常出现在异染色质、基因沙漠和低转录区域，基因表达量

比A Compartment 低，该特征与表观遗传学特征存在高度相关性。A Compartment 区域富集了

更多与转录激活相关的组蛋白标签如H3K36me3,而B Compartment 则富集了更多抑制性组蛋白

标签如H3K27me3.2014 年，Rao 等[25]利用原位Hi-C 技术，通过观察这些区室的远程互作模式

将Compartment A/B 进一步划分为 5类亚区室（Subcompartment），即A1、A2 和

B1、B2、B3.在细胞核空间中，A Compartment 和B Compartment 的位置非随机分布，A

Compartment 更靠近核内部，B Compartment 则主要定位于核纤层附近，该模式的划分也与细

胞学上的常染色质和异染色质分布情况相对应[26].

近年来，科学家们对染色质区室的形成机制进行了探究。Steensel 等发现核纤维层对异染色质

存在吸引力[27],Menon 等发现同类区室更容易相互靠近，且活性染色质具有更强的移动能力

[28].2019 年6月，麻省理工学院医学工程与科学研究所及慕尼黑大学医学生物学系的研究组合

作[29],揭示了染色质区室形成的驱动机制。该研究指出，区室化的形成并不依赖于常染色质间

的相互作用，更多的是依赖于异染色质间的相互作用，且染色质分离更有利于区室化的形成；

异染色质与核纤层之间的相互作用对典型细胞核结构的建立发挥着关键作用，这些发现为细胞

核形态学相关研究提供了大量参考依据。虽然染色质区室在细胞核中的位置相对固定，但在生

长发育、疾病发生过程中存在着大量A Compartment 和B Compartment 间相互转化的情况，说

明染色质区室具有较高的可塑性，并且与细胞特异性基因的表达有一定相关性。

1.3 拓扑关联结构域

2012 年，Dekker 研究组[30]在小鼠失活的 X染色体中心发现了一系列离散的、大小在200 kb–1

Mb 之间的 TADs 结构（图1）。同时 Dixon 等[31]在研究人类和小鼠胚胎干细胞的染色质三维

结构时，也发现了 TADs 的存在。TADs 作为细胞内染色质折叠的二级结构单元，是一个高度

自关联的连续区域，相邻区域间具有明显的边界，每一个 TADs 可形成一个独立的调控单元

[32].TADs 不仅存在于人和小鼠等哺乳动物的细胞中，而且在非哺乳动物如斑马鱼[33]、果蝇

[34]、鸭子[35]、线虫[36],以及植物如棉花[32]、水稻[37]、穿心莲[38]等生物中也发现了 TADs

结构的存在，不同细胞中 TADs 的位置相对稳定，定位也具有一定的保守性，即使是在分化过

程中 TADs 也呈现出相对稳定的状态，只是相互作用的频率可能有所变化[31].

图1 三维基因组结构示意图

Fig.1 3D schematic of genome structure.

TADs 作为调控局部基因表达的稳定结构单元，其结构特征和形成机制正在不断被揭示。当Hi-

C互作谱图分辨率提高到 40 kb 以上时，TADs 在热图上呈现出大小不一且具有明显间隔的"三

角形"[31],这些"三角形"的边界被称为TAD 边界（一般情况下植物中 TAD 边界因缺少绝缘蛋

白，所以边界不明显）。TAD 边界富集了大量的 CTCF 和黏连蛋白复合体（Cohesin

complex），二者对TADs 的定位和结构的稳定性发挥重要作用。CTCF 绑定在染色质上，促进

TADs 之间空间隔离的形成，并决定了黏连蛋白的定位，由黏连蛋白指导 TADs 内部的染色质

互作，从而维持了TAD 边界的稳定[39].2018 年，上海交通大学生物医学工程学院王宽诚、邵

志峰教授和特别研究员Czajkowsky 博士带领的团队[40],发现 CTCF 及黏连蛋白定义 TAD 边界

这一特征在果蝇中似乎并不适用。通过超高深度 Hi-C 测序重新解析果蝇基因组的 TADs 结构，

发现整个基因组全部被 TADs 覆盖，包括相对开放的活性染色质区域。同时在果蝇的染色质中

绝大多数的TAD 边界不是由与人同源的CTCF/黏连蛋白定义，而是由果蝇特异性的绝缘子蛋

白复合物BEAF-32/CP190 或BEAF-32/Chromator 所定义。BEAF-32 是果蝇的绝缘子蛋白之

一，CP190 和Chromator 恰好可与 BEAF-32 结合并介导远距离相互作用，功能与哺乳动物细胞

的黏连蛋白类似。这表明在果蝇的染色质中存在着与哺乳动物细胞中 CTCF/黏连蛋白功能类似

但非同源的蛋白，它们取代了CTCF/黏连蛋白的功能，发挥定义 TAD 边界的作用。除了CTCF

和黏连蛋白，TAD 边界还存在着大量的组蛋白修饰、甲基化修饰位点（如

H3K4me3、H3K36me3 等）、转录起始位点（Transcription start site,TSS）、看家基因、t RNA

等标记因子，这些标记因子通常与转录活性和表观遗传学密切相关，影响着 TADs 的形

成。TAD 边界与复制域边界存在着大量的重合，这说明TADs 还可能受复制时间调节[41].此

外，还有研究表明 DNA 超螺旋结构对 TADs 的建立也存在着重要影响[42].

因为 TADs 参与调控 DNA 复制、转录和表观遗传修饰，因此，TAD 边界的破坏会对基因表达

产生较大规模的影响，甚至导致疾病的发生。通过对多个样本TADs 进行对比，在全基因组水

平找出发生变化的 TADs 数量及 TAD 边界的变化，借助染色质免疫沉淀（Chromatin

immunoprecipitation,Ch IP）测序、全基因组 DNA 甲基化测序（Whole genome bisulfite

sequencing,WGBS）等技术分析 TADs 的变化是否与表观遗传修饰相关，结合RNA-seq 技术对

相关基因的表达量进行统计，有助于解释不同样本间空间结构的差异与表观遗传修饰及转录调

控之间的关系，对三维基因组与疾病发生关系的研究有着重要意义。

1.4 染色质环

随着染色质互作谱图精度的不断提升，生物学家们观察到了比TADs 更为精细的结构单

元。Rao 等[25]在1 kb 的分辨率下，发现了目前直接调控基因表达最精细的结构和功能单元：

一种简单染色质纤维折叠形成的环状结构--染色质环（CL,图1）。该研究首次列出了上万个人

类基因组上的CL.这些 CL 通常连接着基因的启动子和增强子，与基因激活相关，具有跨细胞

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三维基因组研究技术和应用领域摘要：三维基因组学是一门研究基因组三维空间结构与功能的新兴学科，主要研究基因组序列在细胞核内的三维空间构象，及其对DNA复制、DNA重组、基因表达调控等生物过程的生物学效应。自染色质构象捕获技术（3C）出现后，三维基因组学相关研究领域飞速发展。借助于3C及其衍生技术、Hi-C和ChIA-PET等技术，科学家能对各类物种的三维基因组进行更为深入的研究，从而揭示微生物、植物和动物基因组的空间构象、染色质的相互作用模式、转录调控以及不同生物学性状的形成机制；挖掘与生命活动和疾病相关的关键基因和信号通路；推动农业科学、生命科学和医学等领域的快速发展。文中就三维基因组学研究进...

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