SCIENCE | 单细胞的三维基因组结构（IF=41.037）
编译：罗睺，编辑：十九、江舜尧。
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美国加利福尼亚州斯坦福大学生物工程系Longzhi Tan于2019年11月22日在顶级期刊science上发布了题目为《Three-dimensional genome structure of a single cell》的文章，文章介绍了一种新的全基因组扩增方法，提高了单细胞3C的分辨率，并在二倍体细胞的染色体组织显示了嗅觉的结构基础。测量单个细胞的3D基因组的能力将对基础生物学以及人类健康产生深远的影响。
文中重要图片说明
图1：新技术使细胞类型特异性三维基因组组织的整体观点成为可能。
图2：电子显微照片描绘了人类的染色体和细胞核。
主要内容
自1880年代以来，诸如卡尔·拉贝尔（Carl Rabl）等科学家一直在显微镜下观察细胞核，并推测其三维（3D）结构。现在我们知道，人体中的每个核都携带60亿个碱基对（bp）的DNA，如果完全伸展，则将长2m。此DNA的线性序列由2003年人类基因组计划确定；但是，其3D结构仍然难以确定。
近几十年来，科学家们利用高通量DNA测序技术，开始发现长2m的DNA如何折叠成10mm的细胞核。这种方法被称为染色体构象捕获（3C或Hi-C），通过平均大量细胞集合，提供了DNA折叠的全基因组视图。然而，集合平均不能捕捉不同染色体的相对位置及其相互作用，因为每个染色体在细胞核中占据一个相邻的区域，只与少数其他染色体接触。单细胞3C已经实现，但空间分辨率有限。
具有等位基因分辨率的高精度结构
在Hi-C中，化学固定细胞核并将其基因组切成小块，然后根据3D邻近度进行连接。这一过程创造了许多被称为染色体“接触”的人工连接——在线性基因组上距离较远但在3D空间附近的DNA位点之间。
作者在哈佛大学谢晓亮的实验室工作，通过发明新的全基因组扩增方法提高了单细胞3C的分辨率。通过高度均匀的，基于转座子的扩增方法（称为多重末端标记扩增（META））和其他改进，每个细胞平均获得了约100万个接触，是以前的五倍。
遗传自母亲的23条染色体与遗传自父亲的23条染色体相差不到0.1%，因此很难区分每一次观察到的接触的亲本。以往的研究主要集中在单倍体小鼠细胞系上，不适用于二倍体细胞。作者开发了一种算法来推断每个接触点的起源。该算法将多个相邻接触点之间的微小（0.1%）亲本差异集合起来，准确推断出它们共同的亲本来源。随着这些被称为二倍体染色体构象捕获（Dip-C）的生化和计算技术的进步，我们现在几乎可以看到人体内的任何细胞（图1，左）。
3D二倍体人类和小鼠基因组
作者在二倍体人类基因组的第一个3D结构中实现了20,000 bp或100nm的分辨率。也就是说，研究者在不使用显微镜的情况下，在每个细胞中同时定位了约30万个DNA基因座。这种能力远远超出了最新的染色体光学成像技术，后者可以实现相当的分辨率，但每个细胞只能测量约100个基因座，这意味着它无法解析整个基因组。
作者的结果提供了人类基因组的全面3D视图，具有前所未有的细节。从整个核放大到单个染色质环，作者已经可视化了最初由整体平均Hi-C测量推论得出的DNA的分形结构。在印迹基因和女性X染色体中，两个等位基因的基因表达差异很大，作者也观察到明显的结构差异。这突出了结构和功能之间的密切关系。
在每个组织中，不同类型的细胞执行不同的功能。本研究发现，仅了解3D基因组结构即可使研究者在没有任何其他信息的情况下区分细胞类型。这种“结构分型”不仅使Dip-C成为单细胞组学工具（如转录组学和表基因组学）的不断增长的清单，用于绘制人体完整的细胞图谱，而且还为多样化的结构提供了结构基础人类细胞类型的功能。
嗅觉的结构基础
为了演示Dip-C的功能，作者转向了小鼠嗅觉系统。在鼻子中，神经元通过表达嗅觉受体（OR）来嗅觉气味。ORs是小鼠基因组中最大的基因家族，由来自不同染色体的约1100 G蛋白偶联受体（GPCR）基因组成。然而，每一个神经元只表达一个或，在短暂的多个或表达的发育期后，所有1100个其他神经元沉默。这个“一个神经元-一个受体”的规则确保每个神经元都能感觉到自己的气味子集，并投射到大脑，形成气味图谱（图1，中）。
先前的研究提出染色体间相互作用是实现一个神经元-一个受体表达的机制。在该模型中，OR基因相互作用以确保相互沉默，而它们的增强子共同激活将要表达的一个OR。但是，较旧的荧光成像方法无法一次解决所有OR。
使用Dip-C，作者将整个小鼠发育过程中的〜1100 OR基因及其约60个增强子定位在单个细胞中。并了解到，在不表达OR的正常细胞中，大多数OR基因都位于细胞核表面，并且来自不同染色体的OR几乎不相互作用（图1，右）。只有嗅觉神经元才将OR基因聚集在一起，在核中心形成大型的多染色体聚集体，这大概会使一个OR沉默。每个细胞都带有一些这样的聚集体，其中最大的聚集体会聚集来自不同染色体的近十二种增强子。这个增强子中心的形成与发育过渡或表达相一致。这种独特的结构是一个神经元一个受体表达的基础。
3D基因组结构的重要性已超出嗅觉。它可以通过倒置常染色质和异染色质形成微透镜来增强夜视能力，该微透镜的3D结构也已由Dip-C确定。染色体构象还有助于免疫系统进行V（D）J重组，通过原钙粘蛋白基因协调神经回路的形成，并具有治疗癌症表观基因组学和基因组编辑的价值。因此，测量单个细胞的3D基因组的能力将对基础生物学以及人类健康产生深远的影响。