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基于chia-pet与HiChIP技术的三维基因组染色质环结构预测

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基于ChIA-PET与HiChIP技术的三维基因组染色质环结构预测

作者：廖嘉琪中南大学

学位级别：硕士

三维基因组染色质环结构作为已知的最为精细的结构,承载着染色质上线性距离较远而空间距离接近的两个区域之间的相互作用。基于chia-pet与HiChIP的测序技术凭借信号噪声低与支持捕获特异性抗体与蛋白质结合区域的特点,能够更深入的研究... 详细信息

三维基因组染色质环结构作为已知的最为精细的结构,承载着染色质上线性距离较远而空间距离接近的两个区域之间的相互作用。基于chia-pet与HiChIP的测序技术凭借信号噪声低与支持捕获特异性抗体与蛋白质结合区域的特点,能够更深入的研究与理解染色质相互作用。现有的基于这两种测序技术的预测染色质环结构的算法虽然能够有效的预测染色质环结构位点,但只有少数方法可以同时适应这两种不同的数据类型,预测出的染色质环与已知正样本的覆盖率依旧较低,而且这些方法的准确性和效率仍然有限。针对以上问题,本文做了如下两个工作:(1)为了提高预测染色质内环结构的准确率(ACC)与染色质环的活性率(AR),本文提出了面向染色质内环结构的预测方法Loop Caller,该方法结合了峰探测与聚类两种预测策略,同时采用正泊松分布模型与基于近似K近邻网络聚类模型预测染色质环,确保了不同强弱信号的染色质环的整体丰度。在22组数据集中的预测结果表明,Loop Caller能够准确识别强染色质环、动态环与弱环,在ACC与AR上的整体表现优于现有的11种方法,在18组数据集上的ACC与13组数据集上的AR均表现最高。Loop Caller还发现了数个未被现有方法检测到的神经干细胞的关键调控区域。(2)为了提高在信号噪声高的数据集中预测染色质间环结构的准确性与预测效率,本文提出了染色质间环结构的预测方法Inter Loop,该方法基于局部背景中锚点的双向选择策略,在近邻的子图中校验相互作用双端锚点的泊松P值,提高了预测的准确性。在20组数据集中,相较于现有的方法,该方法在其中17组数据集上的准确率和所有20组数据集上的运行效率表现最优。图25幅,表9个,参考文献98篇

关键词：三维基因组染色质环结构 chia-pet HiChIP

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chia-pet技术与应用研究

智能计算机与应用 2020年第3期10卷 348-352页

作者：许立哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001

特定DNA调控元件之间的长距离染色质接触在基因表达调控中起着关键作用,在理解信号网络和细胞状态时,必须对这些三维(3D)染色质结构中的相互作用进行全局表征。利用成对末端标记序列(chia-pet)进行染色质相互作用分析是一种将功能染色... 详细信息

特定DNA调控元件之间的长距离染色质接触在基因表达调控中起着关键作用,在理解信号网络和细胞状态时,必须对这些三维(3D)染色质结构中的相互作用进行全局表征。利用成对末端标记序列(chia-pet)进行染色质相互作用分析是一种将功能染色质结构转化为数百万个短标记序列的方法。自2009年开发以来,在染色质相互作用分析中具有独特的优势,从而为转录调控的研究提供了新的视角。本文介绍了chia-pet的实验方案和数据分析过程,分析了几种常用工具各自的特点和适用范围,帮助研究人员选用合适的方法以获得更可靠的结果。

关键词：基因表达调控三维染色质结构 chia-pet

Mapping Multi-factor-mediated Chromatin Interactions to Assess Dysregulation of Lung Cancer-related Genes

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Genomics, Proteomics & Bioinformatics 2023年第3期21卷 573-588页

作者： Yan Zhang Jingwen Zhang Wei Zhang Mohan Wang Shuangqi Wang Yao Xu Lun Zhao Xingwang Li Guoliang Li National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement Huazhong Agricultural UniversityWuhan 430070China Hubei Key Laboratory of Agricultural Bioinformatics and Hubei Engineering Technology Research Center of Agricultural Big Data 3D Genomics Research CenterHuazhong Agricultural UniversityWuhan 430070China

Studies on the lung cancer genome are indispensable for developing a cure for lung ***-genome resequencing,genome-wide association studies,and transcriptome sequencing have greatly improved our understanding of the cancer ***,dysregulation of longrange chromatin interactions in lung cancer remains poorly *** better understand the three-dimensional(3D)genomic interaction features of the lung cancer genome,we used the A549 cell line as a model system and generated high-resolution chromatin interactions associated with RNA polymerase II(RNAPII),CCCTC-binding factor(CTCF),enhancer of zeste homolog 2(EZH2),and histone 3 lysine 27 trimethylation(H3K27me3)using long-read chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing(chia-pet).Analysis showed that EZH2/H3K27me3-mediated interactions further repressed target genes,either through loops or domains,and their distributions along the genome were distinct from and complementary to those associated with ***-related genes were highly enriched with chromatin interactions,and chromatin interactions specific to the A549 cell line were associated with oncogenes and tumor suppressor genes,such as additional repressive interactions on FOXO4 and promoter–promoter interactions between NF1 and *** of an anchor associated with chromatin interactions reversed the dysregulation of cancer-related genes,suggesting that chromatin interactions are essential for proper expression of lung cancer-related *** findings demonstrate the 3D landscape and gene regulatory relationships of the lung cancer genome.

关键词： Lung cancer 3D genome chia-pet Chromatin interaction Dysregulation

Prediction of chromatin looping using deep hybrid learning(DHL)

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Quantitative Biology 2023年第2期11卷 155-162页

作者： Mateusz Chilinski Anup Kumar Halder Dariusz Plewczynski Faculty of Mathematics and Information Sciences Warsaw University of Technology00-662 WarsawPoland Laboratory of Functional and Structural Genomics Centre of New Technologies University of Warsaw 02-097 WarsawPoland

Background:With the development of rapid and cheap sequencing techniques,the cost of whole-genome sequencing(WGS)has dropped ***,the complexity of the human genome is not limited to the pure sequenceand additional experiments are required to learn the human genome's influence on complex *** of the most exciting aspects for scientists nowadays is the spatial organisation of the genome,which can be discovered using spatial experiments(e.g.,Hi-C,chia-pet).The information about the spatial contacts helps in the analysis and brings new insights into our understanding of the disease ***:We have used an ensemble of deep learning with classical machine learning *** deep learning network we used was DNABERT,which utilises the BERT language model(based on transformers)for the genomic *** classical machine learning models included support vector machines(SVMs),random forests(RFs),and K-nearest neighbor(KNN).The whole approach was wrapped together as deep hybrid learning(DHL).Results:We found that the DNABERT can be used to predict the chia-pet experiments with high ***,the DHL approach has increased the metrics on CTCF and RNAPII ***:DHL approach should be taken into consideration for the models utilising the power of deep *** straightforward in the concept,it can improve the results significantly.

关键词： deep learning 3D genomics transformers spatial organisation of nucleus chia-pet DNA-Seq

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探索染色质三维构象的“工具箱”研究进展

中国科学：生命科学 2020年第5期50卷 497-505页

作者：林达张斯姮张智慧徐伟泽洪萍李国亮曹罡华中农业大学农业微生物学国家重点实验室武汉430070 华中农业大学动物科学技术学院动物医学院武汉430070 华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室武汉430070 华中农业大学信息学院武汉430070

三维基因组学是研究基因组三维空间结构与功能的一门学科.基于不同的研究目的和生物学问题,目前发展出了各种各样的三维基因组学研究方法,这些方法对推动三维基因组学发展有积极的影响.本文以三维基因组学的提出和发展过程为线索,对三... 详细信息

三维基因组学是研究基因组三维空间结构与功能的一门学科.基于不同的研究目的和生物学问题,目前发展出了各种各样的三维基因组学研究方法,这些方法对推动三维基因组学发展有积极的影响.本文以三维基因组学的提出和发展过程为线索,对三维基因组学的主要研究方法进行了系统地归类与介绍,包括基于测序技术(基于邻近连接)的Hi-C, capture Hi-C, single-cell Hi-C, DLO Hi-C, chia-pet, Hi-ChIP等;基于测序技术(不基于邻近连接)的chia-Drop, SPRITE, GAM;以及基于影像技术的seqFISH, CRISPRainbow, SABER amplifies FISH.最后,本文对染色体构象捕获技术的发展方向进行了简单的展望.

关键词：三维基因组学染色体构象 Hi-C DLO Hi-C chia-pet FISH

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三维基因组测序技术发展

生命科学 2019年第1期31卷 1-8页

作者：杨琬婷杨磊王世强内蒙古大学生命科学学院呼和浩特010000 北京大学生命科学学院膜生物学国家重点实验室北京100871

近20年来,研究者们通过大规模DNA测序,在基因组、转录组和表观基因组方面获得了大量的信息,这些信息为人类基因组中的功能元件和相互作用机制等研究提供了许多详细的视图。但明确2 m长的DNA如何组装在10μm左右的细胞核中仍是一个挑战... 详细信息

近20年来,研究者们通过大规模DNA测序,在基因组、转录组和表观基因组方面获得了大量的信息,这些信息为人类基因组中的功能元件和相互作用机制等研究提供了许多详细的视图。但明确2 m长的DNA如何组装在10μm左右的细胞核中仍是一个挑战性的工作。人们着眼于多角度探究染色质在狭窄空间里的精准调控表达,因此,三维基因组研究也越来越受到关注,与此相关的技术也在不断发展中。主要介绍以核邻位连接为基础的染色质构象捕获技术(3C)及其衍生技术,如4C、5C、Hi-C及其衍生技术、Ch IA-pet、原位Hi-C,以及DLO Hi-C等,并简单介绍应用这些技术已取得的重要成果以及未来的发展方向。

关键词：三维基因组 3C Hi-C chia-pet DLO Hi-C Capture-C

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染色质三维结构重建及其生物学意义

中国科学:生命科学 2014年第8期44卷 794-802页

作者：彭城李国亮张红雨阮一骏华中农业大学生命科学技术学院作物遗传改良国家重点实验室

真核生物的基因组在细胞核中以染色质的形式存在,染色质的功能与它的三维结构紧密相关,例如,基因组的复制、转录、调控、DNA突变、长链非编码RNA的传播和胚胎发育等生物功能都是在细胞核的三维空间中完成的.随着染色体构象捕获及其衍生... 详细信息

真核生物的基因组在细胞核中以染色质的形式存在,染色质的功能与它的三维结构紧密相关,例如,基因组的复制、转录、调控、DNA突变、长链非编码RNA的传播和胚胎发育等生物功能都是在细胞核的三维空间中完成的.随着染色体构象捕获及其衍生技术与高通量测序技术的结合,产生了大量的染色质交互作用数据.根据这些染色质交互作用数据,研究人员已经提出很多种方法来重建染色质的三维结构.这些方法有助于在不同分辨率下系统地研究染色质的三维结构,为更好地了解染色质的调控功能提供了结构依据.本文总结了近期染色质三维结构建模方法的进展,并探讨了其在研究染色质生物学功能方面的应用.

关键词：染色质三维结构建模 3C Hi-C chia-pet 染色质结构染色质功能

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水稻三维基因组图谱的构建及分析

水稻三维基因组图谱的构建及分析

作者：王双琦华中农业大学

学位级别：硕士

基因组三维结构为细胞核内生物过程提供活动空间,具有重要的调控功能。近年来,随着高通量测序技术及三维基因组相关技术的发展,科学家们对哺乳动物的三维空间结构有较深的了解,但有关植物三维基因组及其对基因转录调控的作用仍然不清楚... 详细信息

基因组三维结构为细胞核内生物过程提供活动空间,具有重要的调控功能。近年来,随着高通量测序技术及三维基因组相关技术的发展,科学家们对哺乳动物的三维空间结构有较深的了解,但有关植物三维基因组及其对基因转录调控的作用仍然不清楚。而水稻作为人类重要的粮食作物,也是基因组学研究的模式植物。研究其三维结构与基因表达的关系能提高我们对水稻这一模式单子叶植物的认识。本文以水稻两个品系明恢63和珍汕97的幼苗为研究对象,通过改进的chia-pet技术产生了三种类型的长读长chia-pet数据,包括两种活跃的由RNAPII和H3K4me3介导的染色质互作数据和一种不活跃的H3K9me2介导的染色质互作数据。主要研究内容和结果如下:(1)系统地分析了三种蛋白介导的交互的基本特征:对于活跃的结合位点,包括活跃启动子区标记的H3K4me3和转录区标记的RNAPII,参与交互的结合位点较没有参与交互的结合位点覆盖了更高活性和广泛表达的基因,且这些交互的锚定基因倾向于共表达;而参与交互与不参与交互的H3K9me2修饰的基因的表达水平都很低且无显著差别。(2)构建了高分辨率的水稻三维基因组图谱,鉴定了水稻的染色质高级A/B区室结构。根据chia-pet交互环,将水稻基因组划分成具有不同转录潜力的相对独立的空间相互作用单元,称之为染色质交互域,这些交互域呈不连续的间隔分布,覆盖了 82%的水稻基因组。(3)结合ChIP-seq表观数据、DNA甲基化数据和转录组RNA-seq数据,分析水稻三维结构与表观遗传修饰和基因转录调控的关系。相对于非活跃模块,活跃模块覆盖了更多的活跃基因,促成了水稻绝大部分的转录活动。(4)根据水稻两个品系MH63和ZS97的遗传变异数据,暗示了功能性遗传变异可以改变染色质拓扑结构,并进一步影响基因转录调控。(5)将chia-pet交互与eQTLs-etraits遗传关系关联,证实了 eQTLs-etraits在三维空间上的相关性,为水稻表达性状与表达数量性状位点建立三维基因组基础。

关键词：三维基因组 chia-pet 转录调控 CIDs 遗传变异 eQTLs-etraits

保守性与特异性人源增强子序列识别及转录调控的研究

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保守性与特异性人源增强子序列识别及转录调控的研究

作者：张思佳华中农业大学

学位级别：硕士

生物个体的新陈代谢离不开基因复杂的转录调控和遗传机制。随着高通量测序技术的快速发展,基因组序列的成功测序使得我们能够进一步探究隐含在序列背后负责的调控机制。人们发现真核细胞基因的表达调控受到多种因子的影响,如转录因子、... 详细信息

生物个体的新陈代谢离不开基因复杂的转录调控和遗传机制。随着高通量测序技术的快速发展,基因组序列的成功测序使得我们能够进一步探究隐含在序列背后负责的调控机制。人们发现真核细胞基因的表达调控受到多种因子的影响,如转录因子、增强子与DNA转录相关的酶协调合作,构成基因精准、高效的时空表达。近年来,三维基因组学的快速发展促进了全基因组范围内表观遗传修饰、调控元件的鉴定和其参与基因表达的转录调控作用研究。本论文中我们以增强子这一重要的表观遗传修饰的调控元件为主要研究对象,以增强子序列的进化为基础,从染色质的三维交互作用与转录调控着手,从增强子与转录因子、增强子与靶基因的关系探究其在基因组上的转录调控过程。主要研究结果如下:1,本研究通过人类乳腺上皮细胞的增强子在15种哺乳动物全基因组中的序列进行比较基因组分析,将增强子序列分类成保守性和特异性的增强子。研究发现保守性增强子序列的同源序列可出现在10种物种以上;保守性增强子和特异性增强子有明显的phastCons保守性分值差异。2,为探究增强子在转录调控过程发挥的作用,我们根据增强子作用的区域和chia-pet介导的远程调控交互区域,找到增强子和基因TSS附近区域的远程互作关系,识别了增强子-RNA PII靶基因。接着利用485个转录因子结合位点信息,判断增强子区域的转录因子富集程度;并进一步发现有些增强子-RNA PII靶基因为转录因子编码基因,且转录因子在该增强子区域存在结合位点,从而鉴定到了增强子相关联的转录因子“自”调控回路。3,对自调控作用的转录因子进行功能注释,发现它们大多富集在RNA聚合酶II核心启动子的分子功能和生物学过程中,其中MYC、JUN、NCOA3、SP1等转录因子与乳腺癌的雌激素信号通路有关,且这些转录因子的编码基因受多个增强子区域的调控。进一步联合TCGA临床乳腺癌患者的基因表达量水平分析,发现表达量上调的增强子靶基因与RNA聚合酶I启动子开放和转录、细胞减数分裂与重组的反应途径相关。此外,我们还发现了14个与乳腺癌相关的抑癌基因的表达量水平显著性下调。本研究探讨了转录因子结合的增强子转录调控机制,并在乳腺癌中找到了增强子关联的调控回路,得到了这些增强子在不同进化机制下的转录调控作用关系,为增强子与转录因子、靶基因在乳腺癌的转录调控过程提供了新的探索。

关键词：增强子转录因子转录调控 chia-pet 进化保守性