通過(guò)Fiber-seq以單倍型視角解析人類基因調(diào)控

傳統(tǒng)的短讀長(zhǎng)染色質(zhì)分析（如 scATAC-seq、DNase-seq）在進(jìn)行人類基因組分析時(shí)，依賴3Gbp 基因組拼接，難以解析二倍體基因組的單倍型差異（但人類基因組實(shí)際上是二倍體，總大小6G），且在片段重復(fù)（SD）區(qū)域存在 mapping 偏差，無(wú)法準(zhǔn)確量化等位基因特異性染色質(zhì)可及性。

來(lái)自華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了FIRE（Fiber-seq Inferred Regulatory Elements） 方法，通過(guò)Fiber-seq技術(shù)（基于HiFi測(cè)序的染色質(zhì)可及性檢測(cè)方法）實(shí)現(xiàn)了對(duì)人類 6 Gbp 二倍體基因組的單倍型分辨染色質(zhì)可及性分析。FIRE 克服了短讀長(zhǎng)測(cè)序的局限，能精準(zhǔn)識(shí)別調(diào)控元件，揭示了單倍型選擇性染色質(zhì)可及性（HSCA） 的廣泛存在，包括新型印記元件（不依賴親源 CpG 甲基化差異）、疾病相關(guān)遺傳變異對(duì)調(diào)控模式的破壞、HLA 基因座的高調(diào)控多樣性，以及體細(xì)胞表觀突變（mitotically stable）的克隆擴(kuò)張機(jī)制。此外，該方法解析了 X 染色體失活（XCI）中 CTCF 元件的邊界作用及基因逃逸機(jī)制，為理解人類基因調(diào)控的復(fù)雜性和疾病機(jī)制提供了全新視角。這一研究成果于2025年6月發(fā)表于預(yù)印本bioRxiv上：A haplotype-resolved view of human gene regulation（https://doi.org/10.1101/2024.06.14.599122）。

 
單倍型分辨的基因調(diào)控發(fā)現(xiàn)：

1）單倍型選擇性染色質(zhì)可及性（HSCA）

在GM12878 中識(shí)別出 9,773 個(gè)名義顯著 HSCA 元件，1,231 個(gè)全基因組顯著。HSCA 的驅(qū)動(dòng)機(jī)制可分為三類：① 遺傳變異驅(qū)動(dòng)（56% HSCA），元件內(nèi)含雜合變異，富集 GWAS 疾病關(guān)聯(lián)變異，且在不同組織中調(diào)控模式一致（R=0.76）；② 印記驅(qū)動(dòng)（5% HSCA），依賴親源來(lái)源，包括傳統(tǒng) CpG 甲基化依賴型及新型非甲基化依賴型（如 MAGEL2 區(qū)域）；③ 體細(xì)胞表觀突變驅(qū)動(dòng)（44% HSCA，HSCA-noVar），無(wú)遺傳變異，調(diào)控模式在不同組織中不一致（R=0.15），隨克隆擴(kuò)張積累，呈非遺傳確定性。

 
2）新型印記元件

發(fā)現(xiàn) 30 個(gè)在 13 個(gè)成纖維細(xì)胞系中表現(xiàn)一致親源偏倚的 HSCA 元件，其中 5 個(gè)為新型印記元件，不依賴親源 CpG 甲基化差異（如 MAGEL2、ZDBF2 區(qū)域）。

 
3）HLA 基因座的調(diào)控多樣性

免疫細(xì)胞特異性：CD8+ T 細(xì)胞的 HLA II 類區(qū)域 HSCA 富集最顯著（校正 p=0.0013）， lymphoblastoid 細(xì)胞則涵蓋 HLA I 類和 II 類區(qū)域。

疾病關(guān)聯(lián)：解析乳糜瀉相關(guān)變異 rs9271894，發(fā)現(xiàn)其破壞 E-box 與 CCAAT 框的協(xié)同轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，導(dǎo)致單倍型選擇性調(diào)控異常。

 
4）體細(xì)胞表觀突變

無(wú)遺傳變異的 HSCA 元件（HSCA-noVar）在不同組織 / 細(xì)胞系中表現(xiàn)非確定性（如 COLO829BL 與 COLO829T 的 R=0.15）。成纖維細(xì)胞克隆擴(kuò)張程度與 HSCA-noVar 數(shù)量正相關(guān)（R=0.95），表明表觀突變隨克隆擴(kuò)張積累。

 
5）X 染色體失活（XCI）機(jī)制

FIRE 通過(guò)單倍型分析發(fā)現(xiàn)：① CTCF 元件的邊界作用，78.9% Xi 特異性元件為 CTCF 結(jié)合位點(diǎn)，可隔離 XCI 區(qū)域與逃逸區(qū)域（如 UBA1 基因的 CTCF 元件在 Xa 和 Xi 均有結(jié)合）；② 基因逃逸的條件，僅啟動(dòng)子可及性不足以實(shí)現(xiàn)逃逸，需近端（5 kb 內(nèi)）調(diào)控元件共同激活（逃逸基因的近端逃逸元件數(shù)量是失活基因的 51-71 倍）；③ 元件分類，63% 元件為 Xa 特異性，34% 為共享，其中共享元件多為 CTCF 或逃逸基因啟動(dòng)子，直接關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)錄活性。

總結(jié)：

FIRE 方法通過(guò)長(zhǎng)讀測(cè)序?qū)崿F(xiàn)了二倍體基因組的單倍型分辨調(diào)控分析，揭示了 HSCA 的廣泛存在及多種驅(qū)動(dòng)機(jī)制（遺傳變異、印記、表觀突變），解析了 HLA 基因座的高調(diào)控多樣性和 XCI 的分子細(xì)節(jié)。該研究為理解人類基因調(diào)控的復(fù)雜性、疾病關(guān)聯(lián)變異的功能解析提供了關(guān)鍵工具和全新視角。

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