Hi-C技术原理

Hi-C（High-throughput chromosome conformation capture）技术源于3C（Chromosome Conformation Capture，染色体构象捕获）技术，以整个细胞核为研究对象，利用高通量测序技术，结合生物信息学方法，研究全基因组范围内整个染色质DNA在空间位置上的交互关系即染色体三维结构。Hi-C技术在免疫、肿瘤、代谢、遗传，基因组组装的研究领域中应用广泛。

Hi-C技术是第一个从3C技术发展出的“全部对全部”的检测方法，可以捕获全基因组范围的染色质相互作用。Hi-C技术的基本原理是：将交联的DNA片段用一种DNA限制性内切酶（如Hindlll)酶切，然后使用生物素标记的核苷酸修复黏性末端，再使用平端DNA连接酶在低浓度下连接带有生物素标记的邻近DNA片段，然后利用生物素抗体纯连接片段，进而进行高通量测序。基于Hi-C技术鉴定了很多染色质高级结构模型，比如染色体区室（chromosome compartments)，不规则球体模型(fractal globule model)拓扑关联结构域(topologically associating domains, TADs)染色质环结构(chromatin loops)等。Hi-C技术是一种无偏差和高覆盖度的技术，实现了对整个基因组三维结构的全面解析。

Hi-C技术可以清晰的展示出基因组不同层次的组装，如下图从左至右依次是从大范围到局部精确的研究，染色质边界（chromosome territory)、染色体区室（chromosome compartments)、拓扑关联结构域(topologically associating domains, TADs)染色质环结构(chromatin loops)。除了对染色质高级结构的动态变化认知，结合Hi-C技术也能对以往无法解释的染色质远距离相互作用调控基因表达现象做出合理的回答。参与维持或重建染色质高级结构蛋白（CTCF)或复合物(Cohesin、Mediator）的作用机理成为研究热点。

具体三维基因组故事也可以看生信技能树的帖子：Stories of 3D epigenome

Hi-C关键词

• 人类基因组计划( human genome project，HGP)

• 人类基因组百科全书计划”( encyclopedia of DNA elements，ENCODE)

• 染色质疆域( chromosome territories )

• 染色质区隔( chromatin compartment ，包括活跃或非活跃区)

• 染色质环（Chromatin Looping）

• 当染色质相互作用矩阵精度提高时，我们能看到更为精确的染色质结构。Dekker(Rao, Huntley et al. 2014)等人在1kb精度下，发现了染色质中存在环状结构。Loop的两端由CTCF结合位点构成，环状结构对于调控基因表达具有重要的作用。

• 拓扑相关结构域（Topological Associated Domains, TAD

• 每个染色体内部还存在更小尺度（平均约800 kb）的拓扑相关结构域

• TAD内部的DNA元件之间形成了较为紧密的相互作用，而不同TAD之间的相互作用则较弱

• 相邻TAD的边界上结合有染色质结构蛋白，如CTCF蛋白、cohesin蛋白复合体等，这些蛋白起到组织染色质结构并隔离两个相邻的TAD之间互作的功能

Hi-C衍生技术

• 原位连接In situ Hi-C( 2013)

• 单细胞Single-cell Hi-C( 单细胞Hi-C 技术)

• 杂交探针Capture-Hi-C ( 2014 )

• 高效酶切DNase Hi-C( 2015)

• 高效酶切与杂交探针结合的DNaseCapture-Hi-C

• 以及原位连接与高效酶切结合的in situ DNase Hi-C( 2016)

• 单细胞Hi-C 技术

以上介绍的是Hi-C基本原理和实验建库优化后的具体流程，使用我们改进优化的方法能够有效的提高Hi-C建库质量，得到的有效片段显著的提升，Hi-C实验建库是三维基因组研究的开始，后续将会进一步介绍Hi-C的数据处理分析及Hi-C结果的可视化展示

经典案例

Comparative Hi-C reveals that CTCF underlies evolution of chromosomal domainarchitecture[J]. Cell Reports, 2015, 10(8):1297.
Hi-C技术揭示CTCF位点分化与染色质结构域进化相关

CTCF转录因子在真核生物中功能是阻止邻近调控元件，对启动子起到增强或者阻遏作用。该研究比较了四种哺乳动物的CTCF作用位点，结果表现为结合位点分化与染色质结构域进化存在直接关系，文章得出几个结论：（1）染色体构象在多物种中都非常保守。(2) CTCF的结合有两种形态，对构象有不同的影响。（3）CTCF位点的方向性决定了CTCF介导的互作。该成果发表于Cell Reports（IF=8.358）上。目前的许多高影响因子文章喜欢多物种比较，并且一些common的story将是文章的亮点。

2)Single-cell Hi-C reveals cell-to-cell variability in chromosome structure.[J].Nature, 2013, 502(7469):59.
单细胞Hi-C揭示了细胞间的染色体构象变异

染色体的空间构象与排列影响着基因的表达和DNA复制、修复。单细胞Hi-C技术可以同时研究数百万个位点的空间结构，利用该技术，发现同种细胞染色体在MB范围内是保守的，但是细胞与细胞之间的X染色体构象在更大范围内是存在较大变异的，该成果发表于Nature上。

参考文献：

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