Single-cell absolute contact probability detection reveals chromosomes are organized by multiple low-frequency yet specific interactions

doi:10.1038/s41467-017-01962-x

.2017年11月24日；8(1):1753.

doi:10.1038/s41467-017-01962-x。

单细胞绝对接触概率检测揭示染色体是由多个低频但特定的相互作用组织的

附属公司

¹法国蒙彼利埃纳瓦基列斯街29号蒙彼利耶大学INSERM U1054，CNRS UMR5048，生物结构中心，邮编34090。
²CNAG-CRG，基因调控中心（CRG），巴塞罗那科学技术研究所（BIST），Baldiri i Reixac 4，08028，西班牙巴塞罗那。
^三基因调控，干细胞和癌症项目，基因组调控中心（CRG），Aiguader博士88，08003，西班牙巴塞罗那。
⁴西班牙巴塞罗那蓬佩法布拉大学（UPF），08010。
⁵ICREA，Pg.Lluís Companys 23，08010，巴塞罗那，西班牙。
⁶法国蒙彼利埃Cardonille街141号蒙彼利耶大学，CNRS UMR 9002，Génétique Humaine研究所，邮编34396。
⁷干细胞表观遗传学，干细胞与发育生物学系，巴斯德研究所，CNRS UMR3738，25 rue du Docteur Roux，75015，Paris，France。
⁸国立成池大学计算机科学系，台湾台北市11605。
⁹法国伊利科奇，CNRS UMR 7104-Inserm U 964，67404，génétique et de biologie moléculaire et cellulaire研究所。
¹⁰法国蒙彼利埃纳瓦基列斯街29号蒙彼利耶大学INSERM U1054，CNRS UMR5048，生物结构中心，邮编34090。marcelo.nollmann@cbs.cnrs.fr。

^#贡献均等。

PMID： 29170434
预防性维修识别码： PMC5700980型
内政部： 10.1038/s41467-017-01962-x

单细胞绝对接触概率检测揭示染色体是由多个低频但特定的相互作用组织的

迭戈·卡托尼等。国家公社. 2017.

.2017年11月24日；8(1):1753.

doi:10.1038/s41467-017-01962-x。

附属公司

¹法国蒙彼利埃纳瓦基列斯街29号蒙彼利耶大学INSERM U1054，CNRS UMR5048，生物结构中心，邮编34090。
²CNAG-CRG，基因调控中心（CRG），巴塞罗那科学技术研究所（BIST），Baldiri i Reixac 4，08028，西班牙巴塞罗那。
^三基因调控，干细胞和癌症项目，基因组调控中心，Aiguader 88，08003，西班牙巴塞罗那。
⁴庞培法布拉大学，巴塞罗那，08010，西班牙。
⁵ICREA，Plg.Lluís Companys 23，08010，西班牙巴塞罗那。
⁶法国蒙彼利埃Cardonille街141号蒙彼利耶大学，CNRS UMR 9002，Génétique Humaine研究所，邮编34396。
⁷干细胞表观遗传学，干细胞与发育生物学系，巴斯德研究所，CNRS UMR3738，25 rue du Docteur Roux，75015，Paris，France。
⁸国立成池大学计算机科学系，台湾台北市11605。
⁹法国伊利科奇，CNRS UMR 7104-Inserm U 964，67404，génétique et de biologie moléculaire et cellulaire研究所。
¹⁰法国蒙彼利埃纳瓦基列斯街29号蒙彼利耶大学INSERM U1054，CNRS UMR5048，生物结构中心，邮编34090。marcelo.nollmann@cbs.cnrs.fr。

^#贡献均等。

PMID： 29170434
预防性维修识别码： PMC5700980型
内政部： 10.1038/s41467-017-01962-x

摘要

在千到兆碱基对的尺度上，真核生物基因组被划分为相互作用的模块或拓扑相关域（TAD），这些模块或拓扑关联域共同形成核隔室。在这里，我们将高含量超分辨率显微拷贝与最先进的DNA标记方法相结合，以揭示果蝇基因组多尺度组织的变异性。我们发现TAD内部和TAD边界之间的关联频率低于~10%，与TAD大小、表观遗传状态或细胞类型无关。关键的是，尽管存在这种巨大的异质性，但我们能够在单细胞水平上可视化纳米大小的表观遗传域。此外，TAD内部和之间的绝对接触频率在很大程度上取决于基因组距离、高阶染色体结构和表观遗传特性。我们认为TAD和细胞室是由多个小频率但特定的相互作用组成的，这些相互作用受表观遗传学和转录状态的调控。

PubMed免责声明

利益冲突声明

作者声明没有相互竞争的经济利益。

数字

图1
TAD组织起源于随机性的调节。一染色体2L的Hi-C接触矩阵的顶部区域。黑色斑点线划分TAD，粉红色和青色方框表示寡聚油漆标记的TAD边界（TB）。染色质表观遗传状态用面板的色码显示在底部b条。底部，两个方向的代表性三色3D-SIM图像。DAPI、TB2和TB3分别以灰色、粉红色和青色显示。比例尺 = 1 主图像为µm。插图显示选定区域的5倍放大。b条本研究中使用了染色体2L和3R中的寡色素库（TAD边界处的TB1-16和TAD内的IT17-19）。彩色方框显示补充图1a，b中定义的TAD染色质类型。红色：活性，蓝色：抑制，黑色：非活性。彩色虚线表示测量的库的组合。**c（c）**TB2-TB2和TB2-TB3之间的三维距离分布。平均共定域分辨率，根据单个边界（40）的双色标记估算 nm，垂直蓝色虚线）。蓝色和黑色实线表示高斯拟合。库之间的绝对接触概率由高斯拟合（阴影灰色）面积在120以下的积分获得 nm（补充图1e）。N个 = TB2-TB2和TB2-TB3分别为161和556，来自三个以上的生物复制品。d日连续边界之间的绝对接触概率与基因组距离。TAD的染色质状态是如图1b中所定义的颜色编码的。误差条代表SEM。**e（电子）**S2和晚期胚胎细胞的连续TAD边界（圆圈）和随机基因座（灰色实线）之间的归一化Hi-C计数作为基因组距离的函数。矩阵分辨率 = 10 千字节。对每种细胞类型进行两次生物复制。**（f）**晚期胚胎和S2细胞的TAD（实色线）之间和内部的接触概率示意图，位于面板阴影处的染色体区域b条TAD的大小（灰色三角形）与基因组长度成比例（顶部的比例尺）。染色质类型显示在底部。线条的厚度和颜色表示绝对接触概率。虚线表示TAD间触点。早期胚胎测量如补充图1k所示。补充图1f–h中提供了每个组合的电池数量

图2
长范围绝对接触概率针对每种电池类型进行了专门调制。一左侧是连续和非连续边界之间成对距离测量的示意图，颜色代码和位置如图1b所示。对，胚胎和S2细胞连续和非连续区域边界的标准化Hi-C计数与显微镜绝对接触概率。黑色实线和红色实线分别表示指数拟合和幂律拟合。矩阵分辨率 = 10 千字节。N个补充图1f–h提供了显微镜成对测量。N个 = 对于Hi-C数据，分别来自至少三个和两个生物复制品。b条连续和非连续TAD边界（实心圆圈）的绝对接触概率与探头之间的平均物理距离。实线表示幂律配件，其缩放指数如补充图2b所示。三角形表示TAD内的测量值。**c（c）**晚期胚胎和2L染色体S2细胞的归一化Hi-C计数相对频率矩阵。接触频率比根据比例尺进行颜色编码。矩阵分辨率 = 50 千字节。N个 = 4、生物复制。d日TAD边界之间归一化Hi-C计数与胚胎和S2细胞基因组距离的对数图。实线表示基因组中随机选择位置的平均接触频率。矩阵分辨率 = 10 千字节。N个 = 生物复制。**e（电子）**,**（f）**对数-平均物理距离与基因组长度的对数图(**e（电子）**)活动和(**（f）**)不同细胞类型的无活性/受抑制的染色质结构域。平均距离值由每个数据集的幂律拟合的指数前因子归一化（补充图2d，e）。实线显示幂律拟合，带有缩放指数β如面板中所示。圆形和三角形如图2b所示。误差条代表SEM。N个 > 每个数据点140个，来自三个以上的生物复制（补充图1）

图3
长距离接触的细胞类型特异性频率定义了3D空间中的染色体折叠。一左侧，69个域边界的示意图，由Chr中的单个Oligopaint库（Lib-69）标记。3R。每个探针的跨距为~ 20 kb，探针间隔320 平均kb（补充图3a、b）。右，所有研究细胞类型的代表性双色3D-SIM图像。显示DAPI信号（白色）和Lib-69（粉红色）。比例尺 = 200 纳米。b条左侧面板，单细胞概率距离分布*p（r）*在3D-SIM成像的所有对焦之间。白线代表人口平均数*p（r）*频率。详细信息*R（右）* _克和天 _最大值数值如补充图3所示。天 _最大值定义为包含<97%下方面积的距离*p（r）*功能。右侧面板显示了每种情况下每个细胞的焦点数量，平均总体值显示为实线，如上所示。N个 = 180，来自三个以上的生物复制。**c（c）**每种细胞类型的染色体结构示意图。实线灰色代表染色质纤维，粉红色圆圈代表区域边界，其大小与重组边界的数量成正比。d日69个边界的所有成对组合中S2与晚期胚胎细胞的Hi-C接触频率。如果69个边界之间的相互作用频率在细胞类型之间相等，则实线红线表示预期的关系。插图描述了染色体3R和不同组合的基因组距离以及边界之间的相互作用频率。矩阵分辨率 = 50 千字节。N个 = 4，来自至少三个生物复制品

图4
细胞类型之间的染色质重组是由表观遗传结构域之间的随机聚类调节的。一代表性S2细胞中活性（H3K4me3，蓝色）和抑制性（H3K27me3，红色）染色质标记的双色dSTORM图像。早期和晚期胚胎的图像显示在补充图4a和面板c中。比例尺 = 1 微米。b条共现量化（CA > 0.5）使用aCBC在活性染色质和抑制染色质之间。H3K4me3和H3K27me3的CA小提琴图分别显示在上面板和下面板中。黑线表示分布的中位数。**c（c）**研究的三种细胞类型的双色dSTORM的典型缩放图像。黑色箭头表示小活性染色质域位于大抑制域的外围。下部面板显示了晚期胚胎的Chip-Seq富集谱的活跃和抑制标记。比例尺 = 200 纳米。d日,**e（电子）**dSTORM渲染的Alexa-647标记图像d日H3K27me3和**e（电子）**H3K4me3。图像显示了从Voronoi图中获得的多边形面积计算得出的密度图，顶部定义了比例。比例尺 = 1 微米。缩放区域显示检测到的隔间（用不同颜色高亮显示）。比例尺 = 200 纳米。补充图5a、b显示了所有细胞类型和染色质标记的附加图像。**（f）**,克从dSTORM获得的H3K27me3表观遗传结构域大小的基于种群的分布以及从ChiP-seq数据预测的结果**（f）**和H3K4me3克PDF是概率密度函数。补充图5c、d和6b分别显示了物理尺寸和芯片序列数据的单细胞分布。N个 = 60，从显微镜成像的两到三个生物复制。小时每种细胞类型活性和非活性染色质标记的聚集百分比。误差线 = SD.一个样本t吨测试第页-值：*第页 < 0.01; **第页 < 0.001.我胚胎和S2细胞中H3K27me3或H3K4me3染色质域之间归一化Hi-C计数分布的方框图。结果与矩阵分辨率无关（10、20和50 kb）。方框包含50%的数据（0.67σ)，红线表示中值。异常值（>3.3σ远离平均值）显示为黑点。第页-使用Welch计算值t吨测试

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1. Gilbert DM，Fraser P.《细胞核的三维组织：将DNA序列添加到大画面中》。基因组生物学。2015;16:181. doi:10.1186/s13059-015-0751-9。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
1. de Laat W，Duboule D.哺乳动物发育促进剂的拓扑结构及其调控景观。自然。2013;502:499–506。doi:10.1038/nature12753。-内政部-公共医学
1. Dixon JR等人，通过染色质相互作用分析鉴定哺乳动物基因组中的拓扑结构域。自然。2012;485:376–380. doi:10.1038/nature11082。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学
1. Nora EP等。X灭活中心调控景观的空间划分。自然。2012;485:381–385. doi:10.1038/nature11049。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

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[8] Dixon JR等人，通过染色质相互作用分析鉴定哺乳动物基因组中的拓扑结构域。自然。2012;485:376–380. doi:10.1038/nature11082。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

[9] Nora EP等。X灭活中心调控景观的空间划分。自然。2012;485:381–385. doi:10.1038/nature11049。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

[10] Nora EP等。X灭活中心调控景观的空间划分。自然。2012;485:381–385. doi:10.1038/nature11049。-内政部-项目管理咨询公司-公共医学

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