Cell重大成果：人类基因组3D图谱

“这项研究利用一种称为ChIA-PET的DNA图谱技术，从三维结构上揭示了人类基因组中基因，如何在恰当的时间里相互影响。我认为这项成果将会很快从基础科研文献中，进入课本，帮助学生们更好的理解人类基因组的操控原理。而ChIA-PET技术也将成为一种具有创新性，重要的分子分析工具。”——美国联合基因组研究所主任Edward Rubin

　　

生物通报道：去年受聘为华中农大“****”专家的阮一骏教授，其研究组一直从事基因组空间结构方面的研究，曾建立了世界先进的基因组学研究方法体系----全基因组双末端标记测序系统（Paired-End-Tag，简称PET）。近期其研究组发表了题为“Extensive Promoter-Centered Chromatin Interactions Provide a Topological Basis for Transcription Regulation”的文章，揭示了基因如何相互作用影响，包括远程相互作用的机制，这将有利于科学家们深入了解人类基因工作的原理，以及探索相关疾病的遗传机制。这一成果公布在Cell杂志上。

真核生物的染色体是由一系列各自独立，又高度有序的染色质结构域构成。这些结构域就是一些独立的基因表达调控单位，在真核生物的基因表达调控扮演着重要的角色，比如DNA拓扑结构变化、DNA碱基修饰变化、组蛋白变化等都具有重要的调控作用。但是至今科学家们对于染色体构架在基因调控中的作用，了解得还很少。

在这篇文章中，研究人员利用阮一骏教授开发的新技术：ChIA-PET，完成了一项重要的基础性研究工作，揭示了人类细胞中基因调控的一些基础性机制。

ChIA-PET (Chromatin Interaction Analysis using Paired End Tag sequencing)分析方法是一种新型的测序方法，其中PET是一种革新性的基因测序方法，这种方法能帮助解决新一代测序平台阅读长度较短的缺点问题，利用多种应用的配对末端标签测序——PET测序，从超高通量测序的常DNA片段末端引出短的配对标签，从而就能精确地绘制基因组。

目前不少研究表明，远离基因的基因组区域在调控疾病方面的重要作用，那么这是如何实现的呢，研究人员认为染色质相互作用，即DNA上的三维折叠帮助这些距离远的区域调控基因表达。为了证实这一观点，阮一骏教授研究组进行了长期持续的研究分析。

这项新发现就揭示出，虽然人类基因组中的基因相互相隔甚远，但是相关的基因实际上能通过长距离的染色体相互作用，以及高度有序的染色体构架，有序的进行组织。这表明人类细胞中存在一种类似细胞操纵系统的拓扑学机制，能帮助转录调控，而这种拓扑调控机制也有助于解析人类基因中的遗传元素。

美国联合基因组研究所主任Edward Rubin评论这一成果，认为“这项由阮一骏博士完成的研究成果”,“解决了基因之间，以及开启或者关闭基因的人类基因组元件之间，如何相互沟通的基础性问题。他们利用一种称为ChIA-PET的DNA图谱技术，从三维结构上揭示了人类基因组中基因，如何在恰当的时间里相互影响，基因激活的。我认为这项成果将会很快从基础科研文献中，进入课本，帮助学生们更好的理解人类基因组的操控原理。而ChIA-PET技术，作为人类基因组探索的‘望远镜’，也将成为一种具有创新性，重要的分子分析工具。”

人类基因组功能元件的深入理解，需要对个体基因组和染色体结构的详细巡查和比对，这就需要对DNA测序的通量和花费进行改进。新一代测序平台将是低花费和高通量的，但其阅读长度较短。这一限制的直接和普遍认可的解决方法就是多种应用的配对末端标签测序，简称为PET测序，从超高通量测序的常DNA片段末端引出短的配对标签。PET测序能够精确地绘制参考基因组，区别PET所在DNA片段的基因组边界和鉴定靶DNA片段。PET测序法已经发展为转录组，转录因子结合位点和染色体结构分析。PET测序技术的独特优点在于能够暴露DNA片段两末端的连接处。由于该优点，PET测序可以解释非传统的融合转录物，染色体结构变化，甚至分子相互作用。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Extensive Promoter-Centered Chromatin Interactions Provide a Topological Basis for Transcription Regulation

Higher-order chromosomal organization for transcription regulation is poorly understood in eukaryotes. Using genome-wide Chromatin Interaction Analysis with Paired-End-Tag sequencing (ChIA-PET), we mapped long-range chromatin interactions associated with RNA polymerase II in human cells and uncovered widespread promoter-centered intragenic, extragenic, and intergenic interactions. These interactions further aggregated into higher-order clusters, wherein proximal and distal genes were engaged through promoter-promoter interactions. Most genes with promoter-promoter interactions were active and transcribed cooperatively, and some interacting promoters could influence each other implying combinatorial complexity of transcriptional controls. Comparative analyses of different cell lines showed that cell-specific chromatin interactions could provide structural frameworks for cell-specific transcription, and suggested significant enrichment of enhancer-promoter interactions for cell-specific functions. Furthermore, genetically-identified disease-associated noncoding elements were found to be spatially engaged with corresponding genes through long-range interactions. Overall, our study provides insights into transcription regulation by three-dimensional chromatin interactions for both housekeeping and cell-specific genes in human cells.

作者简介：

阮一骏，男，华中农业大学“****”专家 　　

1978年至1985年在华中农业大学微生物学专业学习并获得学士和硕士学位 　　
1994年获得美国马里兰大学植物分子生物学专业博士学位 　　
2002年以来任新加波基因组学研究院高级学科带头人、副院长 　
2011年受聘为华中农业大学“****”专家 　　

长期从事基因组学研究，具有在国际企业从事生物技术研发和创建世界知名研究院的经历, 见证、参与并推动了基因组学研究的发展历程，是基因组学研究领域国际知名战略科学家。他经常应邀在冷泉港（CSHL）、Keystone等国际知名学术大会上作特邀报告，在国际上率先发明了基因组学研究新策略，建立了当今世界最先进的基因组学研究方法体系----全基因组双末端标记测序系统（Paired-End-Tag，简称PET）。8年来，申报人在新加坡国立基因组研究院每年固定研究经费超过1000万美元，并先后获得美国国家卫生研究院（NIH）、美国国防部（DOD）等研究项目经费逾600万美元，发表了多篇高水平的学术论文，包括Nature、Science、Cell等。