Hi-C是染色質構象捕獲技術結合高通量測序的一種技術，實現(xiàn)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片段進行交聯(lián)，并將交聯(lián)的DNA片段富集，然后進行高通量測序，對測序數(shù)據(jù)進行分析，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技術常常與WGS、WGBS、chip-seq、DNase-seq/ATAC-seq、RNA-seq等技術聯(lián)合使用，從DNA線性序列、表觀修飾、組蛋白修飾、三維構象、轉錄調控等多組學層面，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)生機制的經典文章。
研究背景
由基因組不穩(wěn)定和有絲分裂缺陷引起的非整倍體可能會導致CNV，進而影響癌癥相關基因的mRNA和蛋白表達以及下游增殖通路，也可能進一步誘導染色體錯誤分離和基因組不穩(wěn)定性，從而促進腫瘤細胞進化。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，易位容易發(fā)生在空間鄰近度較高的區(qū)域的雙鏈斷點熱點。
在這里，作者對兩個非整倍體多發(fā)性骨髓瘤（MM）細胞系進行了Hi-C、全基因組測序（WGS）和RNA測序，并結合一些數(shù)據(jù)庫中的相關數(shù)據(jù)進行了整合分析，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(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)：
U266細胞系的ChIP-seq 數(shù)據(jù)；
正常淋巴母細胞樣B細胞（GM12878）的Hi-C、WGS、RNA-seq、ChIP-seq數(shù)據(jù)；
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個染色體間易位事件,其中四個也在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相關基因WWOX和MAF。在U266細胞中,鑒定到了80個受易位事件影響的基因,包括癌癥相關基因TNIK、FBXW7、TRIM2，其中包含一些之前研究未發(fā)現(xiàn)的MM相關基因。此外距離易位位點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。總的來說，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斷點與TAD邊界相關聯(lián)
在RPMI-8226細胞中，WGS識別到了596個CNV斷點，Hi-C識別到了3457個TAD邊界，比較發(fā)現(xiàn)CNV斷點常出現(xiàn)在TAD邊界附近。7.5%CNV斷點同時也是TAD邊界，30.7%CNV斷點位于TAD邊界120kb內。CNV斷點與其最近的TAD邊界之間的距離明顯小于位置隨機斷點。U266細胞中的結果與RPMI-8226細胞中的相似，說明MM細胞CNV斷點與TAD邊界的相關性。而對正常B細胞中骨髓瘤CNV斷點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斷點有關。因此正常細胞中CNV斷點容易發(fā)生在TAD邊界，或者TAD在從正常向腫瘤的轉化過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(shù)據(jù)，作者對MM細胞與淋巴母細胞樣B細胞系(GM12878)進行了比較，發(fā)現(xiàn)與正常B細胞相比，大多數(shù)基因組區(qū)域在MM細胞中保持相同的compartments。共有8%的基因組區(qū)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。24%的基因組區(qū)域從compartment?A轉換為compartment?B，并與上調基因表達相關。
此外，GM12878、RPMI-8226和U266細胞中分別識別出了2756、3457和3342個TAD，TAD大小中值分別為800?kb、600?kb和640 kb。兩種MM細胞TAD數(shù)量較B細胞均增加1.2倍，且MM細胞TAD長度較小。作者在3個樣本中鑒定出1281個保守TAD（TAD重疊超過70%），而僅在2個MM細胞存在的保守TAD有740個。
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。
4、染色質構象與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(qū)域中的基因，以及1%的compartment A to B的基因進行KEGG通路分析。通路富集分析顯示，這些基因與MM相關通路密切相關，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/B?compartment轉換區(qū)域內，發(fā)現(xiàn)了一個位于2q11.2-q12.1上的細胞因子受體基因簇，這個區(qū)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，包括多個白介素IL1R1、IL1R2、IL18R1和細胞因子MAP4K4。這個位點的基因表達的變化與TAD結構、表觀遺傳標記相關聯(lián)，但與拷貝數(shù)變化不相關。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(shù)據(jù)、WGS數(shù)據(jù)和基因表達數(shù)據(jù)，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聯(lián)。
小結
作者通過Hi-C對MM的三維基因組進行了研究，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系，從而識別MM相關的通路和關鍵基因。這些發(fā)現(xiàn)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序性的認識，對MM的臨床治療和藥物開發(fā)有一定的啟示。
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