撰文 | 十一月
責編 | 兮
3D基因組結構支持基因表達調控、重組、DNA修復以及有絲分裂過程中的染色體分離。染色體構象捕獲技術（Hi-C）可以用以分析細胞中染色體中複雜的基因組景觀，但是目前姐妹染色單體由於其序列相同還很難確定它們如何在複製的染色體中相互作用。
近日，奧地利科學院分子生物技術研究所Daniel W. Gerlich研究組與Michael Mitter（共通和一作）在Nature期刊上發表了文章Conformation of sister chromatids in the replicated human genome，建立了能夠捕獲姐妹染色單體的Hi-C技術scsHi-C並揭開了姐妹染色單體的拓撲結構圖譜。
基因信息的表達、維持和遺傳依賴於染色體DNA分子內部和之間高度調控的拓撲相互作用。這包括分子內的相互作用比如啟動子與遠距離的增強子調控基因表達【1】，而分子間的相互作用包括姐妹染色單體的同源DNA序列之間的相互作用促進DNA損傷修復【2】。為了區分複製染色體中的相同DNA序列分子內和分子間的相互作用，作者們建立了scsHi-C測序技術。為了對順式和反式姐妹染色單體內DNA相互作用進行解析，首先需要引入一個姐妹染色單體特異性標記物，通過在DNA核苷酸類似物存在的情況下培養細胞進行一輪DNA複製來實現在兩條姐妹染色單體中分別標記沃森鏈（Watson strand）和克裡克鏈（Crick strand）。如果核苷酸類似物可以通過DNA測序檢測到，那麼標準的Hi-C實驗步驟就可以用以將染色單體相互作用進行分類，將同一條鏈上相互作用稱為cis順式作用
或不同鏈上的trans反式相互作用（圖1）。為了建立姐妹染色單體特異性DNA標記，作者們考慮使用4sT（4-thio-thymidine），因為4sT的RNA同源物4sU可以在不影響細胞生存能力的情況下對新生的RNA進行標記【3】。另外，TUC-seq（Thio-uridine-to-cytidine sequencing）技術【4】使用4sT標記與提取後的OsO4/NH4Cl轉化化學相結合產生明顯的點突變。作者們考慮如果能在基因組DNA純化後將4sT轉化成為5mC（圖1），那麼就可以對4sT標記的DNA產生特徵突變進行高通量測序。通過對4sT標記的DNA被OsO4/NH4Cl處理後的轉化效率以及4sT本身對細胞的毒性進行檢測後，作者們發現4sT標記的DNA能夠被高效率轉化同時對細胞幾乎沒有毒性，完全符合活細胞中進行姐妹染色單體基因組DNA標記的全部要求。
圖1 scsHi-C測序技術原理
進一步地，作者們對4sT標記基因組DNA的效率進行評估。在4sT處理組與非處理組中分別進行基因組純化以及OsO4/NH4Cl處理後擴增和高通量測序。通過測序以及質譜檢測，作者們發現全基因組特徵性突變的總頻率達到2.5%。為了進一步完善scsHi-C的步驟，作者們對HeLa細胞進行同步化並將進入S期細胞釋放到包含4sT的培養基中，隨後使用CDK1的抑制劑將細胞滯留在G2時期。然後作者們將染色質進行交聯、消化、生物素標記、連接以及純化，隨後進行標準的Hi-C實驗方案【5】。作者們發現與未進行處理的細胞相比，Hi-C的圖譜中所有的相互作用非常相似的，說明4sT處理並不會破壞基因組結構。另外，作者們也發現scsHi-C能夠準確地區分順式與反式的相互作用。
為了確定姐妹染色單體在間期相互作用的位置以及測量姐妹染色單體在有絲分裂期間的分解程度，作者們構建了與G2或有絲分裂前中期同步的細胞全基因組scsHi-C圖譜。scsHi-C揭示了姐妹染色單體在細胞間期的整體配對以及在有絲分裂時幾乎完全分離。另外，作者們通過全基因組scsHi-C圖譜分析以及遺傳學實驗發現cohesin蛋白中的一部分會介導複製後的DNA分子之間的連接，用以維持DNA複製後姐妹染色單體；另外一部分的cohesin蛋白在G2期的TADs結構域中負責動態地形成DNA環分離姐妹染色單體（圖2）。除此之外，作者們還發現CTCF為環擠出的cohesin蛋白以及負責凝聚作用的cohesin蛋白提供邊界。姐妹染色單體在H3K27me3富集區域仍然高度成對出現，這可能是通過局部動態環擠出頻率出現降低或由獨立於cohesin的polycomb抑制性染色質的結合（圖2）。
圖2 姐妹染色單體分子間與分子內的相互作用模型圖
總的來說，作者們建立了能夠對姐妹染色單體進行構象解析的Hi-C技術：scsHi-C，通過建立姐妹染色體單體全基因組圖譜豐富了大家對於姐妹染色單體拓撲結構的認識，使得對相同DNA分子之間的物理相互作用如何促進DNA修復、基因表達、染色體分離以及其他潛在的生物過程的研究成為可能。