安诺优达裴素蕊专访：Hi-C技术，开启基因组学研究3D时代

千姿百态

人类基因组测序完成后的十多年时间里，基因测序技术发展迅猛。现有的基因测序技术已经能够帮助研究人员了解DNA序列的信息，然而基因组信息如何指导基因在特定空间和时间表达的机理仍有待阐明。最新研究表明，基因组的三维空间结构对基因组的表达、调控等功能有着重要的影响，而Hi-C技术的出现，使得解析整个染色质组的相互作用和空间结构成为可能。测序中国就Hi-C及单细胞Hi-C的应用及前景采访了安诺优达科技服务事业部首席技术总监裴素蕊博士。

图1 安诺优达 裴素蕊博士

测序中国编辑：裴博士您好！能请您介绍一下Hi-C技术原理和它的发展历程吗？和之前解析染色质三维结构的3C、4C、5C等相比，区别和优势又在哪里呢？

裴素蕊：经典的3C技术又称染色质构象捕获（Chromosome Conformation Capture，3C），原理是先消化固定细胞中的染色质，然后进行切断后DNA再连接，这样就能将空间接近的序列片段聚拢在一起，之后通过测序分析这些连接处的特征，获得一张详细的染色质互作图谱。但3C技术聚焦于某个位点，最终结果是基于观测特异性扩增片段的有无，因此仅能“一对一”的研究基因组中某一特定片段在染色质中与其他DNA片段的相互作用模式。缺点是通量小，引物设计繁琐。在此基础上衍生的4C、5C提供了更高通量的染色质相互作用解析，但仍不能扩展到整个染色质组，直到Hi-C技术的出现。

图2 Hi-C技术原理（Belton JM, et al. Methods. 2012）

Hi-C技术也是3C的一种衍生技术，它以整个细胞核为研究对象，运用分子标记与NGS技术，研究整个染色质中DNA在空间位置上的关系，通过对染色质内全部DNA的全部相互作用模式进行捕获，来获得高分辨率的染色质三维结构信息。Hi-C技术由马萨诸塞大学的Job Dekker研究团队开发，2009年，Job Dekker首次提出Hi-C的概念，并测量了人淋巴细胞染色体中基因座空间交互信息。随后，科学家们利用Hi-C技术构建了果蝇、人及小鼠胚胎干细胞等数个高分辨率三维基因组互作图谱。2014年，来自Baylor医学院、Rice大学、Broad研究所和哈佛大学的科学家们利用Hi-C技术绘制了人基因组空前详细的图谱，展示了2米长的人类基因组在细胞核内的全部折叠方式。研究显示，和我们长期以来的想象不同，细胞可以将基因组折叠成各种不同的形态，进而调节自身的功能。

图3 20号染色体上区段48.78-50.88 Mb的模式图（Rao SS, et al. Cell. 2014）

测序中国编辑：Hi-C技术出现至今不到几年时间，但是学术界对它的关注度却日渐高涨，它可以应用于哪些领域呢？

裴素蕊：Hi-C技术应用非常广泛，主要分为以下几个方向：1）辅助基因组组装，构建染色质跨度的单体型图谱，为各种疾病（尤其是肿瘤）形成机制的探索提供依据，为动植物经济性状连锁标记开发及基因组进化研究奠定基础；2）建立基因组折叠物理模型，了解基因组折叠对基因表达和调控的影响；3）解析上千种基因间整体互作模式，揭示基因组远程调控元件介导的分子网络；4）从全新角度诠释蛋白因子与染色质相互作用的关系；5）绘制细胞核内互作染色质的空间构象；6）多组学角度揭示生物学调控机制。

测序中国编辑：对Hi-C技术以及三维基因组学的研究前景，您是怎样看的？

裴素蕊：要真实的理解基因的表达和调控，不仅要了解不同调控元件和目标基因之间的调控关系，同时也要知道它们之间的物理空间位置和相互关系。Hi-C技术可以在整个基因组的水平上，产生无差别的染色质远程交互作用数据，奠定了三维基因组学的研究基础。同时，基因的表达和调控随着时间的变化而变化，仅凭相对静止状态的基因组三维结构和功能，并不能完全诠释基因表达和调控的问题。目前学术界已提出4D基因组学的概念，研究动态变化下基因组三维结构和功能。基因组学的研究，从一维的基因组信息，到二维的交互网络，再到三维的染色质结构以及四维的动态变化，正是人类对遗传密码的诠释不断深化的过程，也带来了生命科学研究的新契机和热点趋势。

测序中国编辑：近年来单细胞领域的研究进展也十分迅猛，听说目前Hi-C技术已能实现对单细胞进行染色体构象解析？

裴素蕊：是的，我们目前能够从单细胞水平研究染色体的三维结构，这是一个令人激动的创新。例如，包括白血病等部分癌症在内，其发病是由于两种DNA片段位置相互发生交换而导至的，目前的研究水平，还不足以搞清楚这种交换发生的原因。但基于Hi-C技术就能够知道在线性距离上很远的DNA片段之间，在三维空间中是否临近？它们之间是否发生了DNA片段的相互交换？这将有助于搞清楚怎样能防止这种情况的发生，在临床疾病的防治中寻找新的方法。

我们推出的单细胞Hi-C技术，使得即使在单个细胞，或只能获得极少量处于特殊形态的细胞时，也能够对其染色体构象进行分析，进一步推动了其迈向临床应用的可能性，也使得研究单细胞基因组折叠3D模型及机理成为可能。除了单细胞Hi-C技术，我们还开创了一系列包括单细胞基因组、单细胞转录组、单细胞BS和RRBS在内的单细胞水平的新技术，并推出国内第一个单细胞多组学研究解决方案。无论是在Hi-C还是单细胞技术领域，实力源自低调务实的研发内功，我们致力于为科研工作者提供最领先的技术服务。

测序中国编辑：感谢您的介绍！希望在不久的将来，能够看到国内的科研人员在三维基因组学领域取得突破性的研究成果。

裴素蕊博士简介：

毕业于中国海洋大学，中国生态学学会、中国水产学会高级会员，2013年初进入安诺优达基因科技（北京）有限公司，任科技服务事业部首席技术总监。

裴博士在攻读学位期间，主要从事水生动物生态、营养、生理及功能基因组方面的研究，参与了诸多国家级科研项目，其中包括科技部“十二五”科技支撑计划项目、国家海洋公益性行业科研专项等重大项目，在国内外知名学术期刊发表高水平学术论文10余篇。近年来一直致力于高通量测序技术在医学和生命科学领域的应用性研究工作，尤其在基因组、三维基因组、转录组、甲基化测序技术在动植物和临床转化研究的应用中有丰富的项目经验，对基因组学相关技术的前沿发展有深刻的理解。

来源：测序中国