功能基因组学研究利器ChIA-PET

功能基因组学研究利器——ChIA-PET 

首先，让我们先回顾一下分子生物学的基本知识。人类细胞中的DNA序列长度约1828.8毫米，而细胞核的直径只有5微米，那么，如何将这些DNA装入核中是细胞面临的一个巨大挑战。好在DNA并不是裸露地存在于细胞核中，它们由核小体折叠缠绕，形成可以调节的结构。这就意味着DNA序列不能简单地理解为按照一维线性排列，而应该是具有三维折叠和环套状态的结构。

我们知道DNA重测序，转录组测序，甲基化组测序只是功能基因组学研究的冰山一角。人们都知道，我们的基因组中真正编码蛋白的序列比例很低。那么问题来了，那些远离基因的基因组区域在调控生命进程中起到了怎么的作用？2009年，新加坡基因组研究院（Genome Institute of Singapore，GIS）的研究人员在《nature》上发表文章，报道了一种分析基因组三维折叠的新技术——ChIA-PET (Chromatin Interaction Analysis using Paired End Tag sequencing)

一，ChIA-PET简介

ChIA-PET是一种整合了免疫共沉淀（ChIP）, 染色质铰链（chromatin proximity ligation），双末端标签（Paired-End Tags）以及高通量测序研究基因组范围内染色质远程交互的技术。单凭这些拗口的名词我们很难理解该方法的精髓，不妨看一下具体实施步骤。如图1，整个流程大致分成8步，

1. 用甲醛铰链DNA和蛋白，目的是让可能存在相互影响的DNA片段连接；

2. 用超声等方法将DNA片段化；

3. 用特异性蛋白抗体富集DNA和蛋白复合物；

4. 在DNA片段末端加上包含MmeI位点的生物素化寡核苷酸linker；

5. 连接linker，从而形成连接目的DNA片段的桥梁；

6. 用限制性内切酶消化得到DNA片段，去除蛋白质；

7. 固定化PET序列；

8. 上机测序。

1，The ChIA-PET experimental protocol, which includes chromatin preparation, ChIP, linker ligation, proximity ligation,MmeI restriction digestion, and DNA sequencing.

二、ChIA-PET的生物信息学分析

进过一系列的实验处理和测序，我们得到来自空间上相互靠近的DNA片段reads，类似于Chip-Seq，研究人员基于ChIA-PET技术开发出了专门的生物信息学工具。2017年1月，清华大学在《核酸研究》上发表了一款名为CHIA-PET2的分析软件（github地址为：https://github.com/GuipengLi/ChIA-PET2），旨在全方面处理多种类型的ChIA-PET数据。如图2，描绘了CHIA-PET2的数据处理流程。CHIA-PET2支持Bridge linker和Half-linker两种ChIA-PET文库，包含perk calling和loop detection算法。

图2，ChIA-PET2 workflow

三、ChIA-PET应用——ENCODE数据获取

虽然ChIA-PET方法在2009年就被提出了，但目前基于该方法的研究还是很少，pubmed中收录的文章数还不足百篇。恩，限制我们想象力的一定是贫穷！既然不舍得花钱，那就去免费下载别人的吧。目前，ChIA-PET数据主要存放在ENCODE数据库中，如图3，ENCODE中有39个来源于不同细胞系的ChIA-PET类型数据。

图3，ENCODE ChIA-PET数据展示

总结

研究表明远离基因的基因组区域在调控疾病方面的重要作用，ChIA-PET方法使得研究染色质相互作用成为可能，帮助人们理解DNA序列上的三维折叠调控基因表达。