【摘要】：基于染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)及其衍生技術(shù)(如Hi-C)的研究表明,染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA復(fù)制、早期胚胎發(fā)育以及疾病發(fā)生等過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái),人們利用已定相遺傳變異來(lái)區(qū)分二倍體細(xì)胞中同源染色體的高階結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)父本染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)和母本染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)在特定區(qū)間或者特定發(fā)育階段存在著顯著差異,即染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)具有等位效應(yīng),并且染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)等位效應(yīng)在調(diào)控等位特異性基因表達(dá)方面可能起著重要作用。本文將這種使用已定相遺傳變異把Hi-C數(shù)據(jù)區(qū)分為父本和母本染色質(zhì)互作的研究簡(jiǎn)稱(chēng)為單倍型Hi-C(haplotype-resolved Hi-C)。然而,由于遺傳變異數(shù)量有限且分布不均衡,單倍型Hi-C的數(shù)據(jù)利用率較低并且數(shù)據(jù)偏好很強(qiáng),因此優(yōu)化單倍型Hi-C數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)識(shí)別對(duì)于提高單倍型染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)識(shí)別的精度和準(zhǔn)確性具有重要意義。本文開(kāi)發(fā)了一種新型單倍型Hi-C軟件HiCHap,主要功能包括利用Hi-C讀段的所有序列信息來(lái)提高單倍型數(shù)據(jù)利用率,使用兩步校正策略分別校正遺傳變異分布密度不均衡和Hi-C實(shí)驗(yàn)引起的單倍型數(shù)據(jù)偏好,使用新的識(shí)別方法得到單倍型染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)。最后本文使用HiCHap軟件初步研究了染色質(zhì)環(huán)等位特異性與關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子等位效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)。首先,HiCHap軟件利用了Hi-C讀段上所有序列的雜合單核苷酸多態(tài)性(SNP)來(lái)提高數(shù)據(jù)利用率。傳統(tǒng)Hi-C序列比對(duì)通常使用了切割連接位點(diǎn)或迭代切割方法,這個(gè)過(guò)程中丟棄了部分序列,本文對(duì)切割連接位點(diǎn)后的所有序列都進(jìn)行序列比對(duì),充分利用Hi-C讀段上所有序列的雜合SNPs來(lái)提高單倍型Hi-C的數(shù)據(jù)利用率。其次,HiCHap軟件使用兩步校正策略分別校正了SNP分布密度不均衡和Hi-C實(shí)驗(yàn)引起的單倍型數(shù)據(jù)偏好,并構(gòu)建了單倍型染色質(zhì)互作矩陣。由于遺傳變異分布密度與單倍型數(shù)據(jù)利用率之間的關(guān)系復(fù)雜,HiCHap直接使用該區(qū)間單倍型數(shù)據(jù)利用率來(lái)間接衡量遺傳變異分布密度的影響,并結(jié)合非對(duì)稱(chēng)陣策略來(lái)對(duì)遺傳變異分布密度不均衡引起的單倍型Hi-C數(shù)據(jù)偏好進(jìn)行第一步校正。接著,將第一步校正后的非對(duì)稱(chēng)陣對(duì)稱(chēng)化,并使用矩陣平衡算法消除Hi-C實(shí)驗(yàn)引起的數(shù)據(jù)噪聲,進(jìn)行第二步數(shù)據(jù)偏好校正。經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)方法比較,本文校正算法在多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上都表現(xiàn)良好。再次,以染色質(zhì)環(huán)為例,本文通過(guò)調(diào)整傳統(tǒng)算法識(shí)別了單倍型染色質(zhì)環(huán),并在整合單倍型染色質(zhì)環(huán)和傳統(tǒng)非單倍型染色質(zhì)環(huán)的基礎(chǔ)上使用二項(xiàng)分布檢驗(yàn)了父本染色質(zhì)環(huán)和母本染色質(zhì)環(huán)的差異顯著性,識(shí)別和篩選等位特異性染色質(zhì)環(huán)。最后,本文使用HiCHap軟件分析了等位特異性染色質(zhì)環(huán)與關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子(如CTCF和Cohesin)結(jié)合位點(diǎn)等位效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián),發(fā)現(xiàn)等位特異性染色質(zhì)環(huán)上往往也存在著等位特異性轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn),并且染色質(zhì)環(huán)等位效應(yīng)與轉(zhuǎn)錄因子的等位效應(yīng)呈現(xiàn)出一定程度的正相關(guān)性,暗示著關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的等位效應(yīng)可能是引起等位特異性染色質(zhì)環(huán)的重要原因之一。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：Q811.4;TP311.52
【圖文】：

圖 1.1 Hi-C 技術(shù)原理圖 (Lieberman-Aiden et al 2009)Fig. 1.1 Principle and technology pipeline of Hi-C.（Lieberman-Aiden et al 2009）二代測(cè)序技術(shù)的興起，基因組學(xué)研究走向了高通量時(shí)代，染色體構(gòu)象捕獲技術(shù)也獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。2009 年，Liberman-Aiden 等人和 Fullwood 等人分別開(kāi)發(fā)了 Hi-C（Liberman-Aiden et al 2009）和 ChIA-PET（Fullwood et al 2009）技術(shù)，旨在使用高通量測(cè)序捕獲全基因組范圍內(nèi)的染色質(zhì)互作。以 Hi-C 技術(shù)為例（如圖 1.1），該技術(shù)試圖捕獲全基因組范圍內(nèi)所有染色質(zhì)互作，其主要實(shí)驗(yàn)流程為：首先利用甲醛將染色質(zhì)互作進(jìn)行交聯(lián)，然后利用限制性?xún)?nèi)切酶將染色質(zhì)切成短片段，并利用有生物素標(biāo)記的核苷酸將限制性酶切片段末端補(bǔ)平，接著在 DNA 濃度較低的環(huán)境中將交聯(lián)的 DNA 片段連接起來(lái)，然后將連接產(chǎn)物用超聲波打斷、生物素標(biāo)記并且純化，最后利用雙端測(cè)序來(lái)測(cè)定互作片段。在 Hi-C 實(shí)驗(yàn)流程基礎(chǔ)上，Rao 等人于 2014 年開(kāi)發(fā)了原位 Hi-C（in situ Hi-C）技術(shù)，進(jìn)一步捕獲了

3圖 1.2 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次化（Bonev and Cavalli 2016）A）圖展示了一個(gè)從高分辨率 Hi-C 數(shù)據(jù)觀(guān)察到的染色質(zhì)環(huán)（loop）和 CTCF 的結(jié)合情況以及 motif 的。（B）左圖接近 8Mb 區(qū)域包含了數(shù)個(gè)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（TADs），右圖展示了三種不同的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)意圖；（C）不同拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)域強(qiáng)互作的特點(diǎn)，并一起組成區(qū)室；（D）左圖是以熱形式對(duì)染色質(zhì)之間互作的一種展示，右圖展示了染色質(zhì)疆域。Fig. 1.2 Hierarchical organization of chromatin structure (Bonev and Cavalli 2016)A) The figure is an example of an architectural loop as seen in high-resolution Hi C data, as well as CCCTinding factor (CTCF)-binding profile and CTCF motif orientation. (B) The left figure is an approximately 8 egion containing several topologically associating domains (TADs) as seen in the heat map. three different TAre shown on the right.(C) Different topological domains are characterized by stronger inter-domain interactions are organized into compartments.(D) Interaction matrix of the inter-chromosome is shown as heatmap on the lhromatin territory is shown on the right.

通過(guò)模式小鼠進(jìn)行雜交，研究者們使用 Hi-C 技術(shù)研究了早期胚胎發(fā)育過(guò)程（Du et al 2017, Ke et al 2017）。通過(guò)單倍型染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)分析，揭示了哺乳動(dòng)物受精前后父本和母本染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)在早期發(fā)育過(guò)程中的變化。如圖1.3所示，研究者發(fā)現(xiàn)在精子和卵子結(jié)合之前，精細(xì)胞保留了拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域和區(qū)室等染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)。相反，卵細(xì)胞染色質(zhì)丟失了這些結(jié)構(gòu)。受精后，盡管精子和卵子已經(jīng)融合，但父本和母本單倍型染色質(zhì)在染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)上仍然存在差異。這種差異一直從受精開(kāi)始后延續(xù)到 8 細(xì)胞時(shí)期（Du et al 2017）。圖 1.3 小鼠胚胎細(xì)胞發(fā)育早期單倍型染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化過(guò)程（Du et al 2017）Fig. 1.3 The changes in haplotype chromatin structure during early development of mouseembryonic cell （Du et al 2017）隨著研究深入，研究者們發(fā)現(xiàn)等位基因特異性表達(dá)和單倍型染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)同樣有著密切關(guān)系，如圖 1.4 所示，在人類(lèi)第 11 號(hào)染色體上存在著兩個(gè)印記基因 IGF2 和 H19

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本文編號(hào)：2751430