核仁是真核生物細(xì)胞核中最明顯的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)的“合成機器”——核糖體也在核仁中形成。近年來，許多研究證據(jù)表明核仁在染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成和維持過程中也可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，核仁相關(guān)的染色質(zhì)互作一直缺乏系統(tǒng)性的研究方法。

2023年1月21日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程研究員研究組在Nature Communications期刊發(fā)表題為“Mapping nucleolus-associated chromatin interactions using nucleolus Hi-C reveals pattern of heterochromatin interactions”的研究論文。該研究成功開發(fā)了能夠富集捕獲核仁相關(guān)染色質(zhì)互作的新技術(shù)——核仁Hi-C（nHi-C），并通過nHi-C揭示了核仁相關(guān)染色質(zhì)互作的特征與規(guī)律。

論文截圖

nHi-C將insitu Hi-C實驗與核仁的提取分離相結(jié)合，即在細(xì)胞裂解后通過密度梯度離心提取核仁，實現(xiàn)了對核仁相關(guān)的染色質(zhì)互作進(jìn)行富集捕獲（圖1）。

圖1. nHi-C實驗原理示意圖

為了驗證nHi-C能夠富集核仁相關(guān)染色質(zhì)互作，研究者在HeLa細(xì)胞中分別進(jìn)行了in situ Hi-C和nHi-C實驗。通過將nHi-C和in situ Hi-C的結(jié)果進(jìn)行比較（圖2），并結(jié)合FISH成像驗證（圖3），證明了nHi-C捕獲的互作更加富集分布于核仁周圍的染色質(zhì)區(qū)域。

圖2. in situ Hi-C和nHi-C互作熱圖比較

圖3. FISH成像結(jié)果圖（Locus1為陰性對照；Locus2-4為nHi-C相較于insitu Hi-C互作更加富集的區(qū)域；Nucleolin為核仁特異的指示蛋白）

相較于in situ Hi-C，nHi-C提供了核仁介導(dǎo)的染色體之間相互作用（trans interaction）的互作圖譜（圖4）。通過該圖譜，研究者揭示了核仁相關(guān)trans互作的特征，即包含rDNA分布的染色體15、21、22與其他染色體頻繁建立trans互作，并且靠近著絲粒的染色質(zhì)區(qū)域是trans互作發(fā)生的熱點區(qū)域（圖5）。

圖4. nHi-C與in situ Hi-C trans互作熱圖比較

圖5.（左）不同染色體之間的trans互作水平；（右）核仁周圍染色質(zhì)區(qū)域（NADs）的trans互作水平和它們與著絲粒的距離相關(guān)

進(jìn)一步，利用nHi-C實驗數(shù)據(jù)，研究者確定了264個高置信度的核仁相關(guān)域（hNADs），在HeLa細(xì)胞中占整個基因組的24%。根據(jù)全局hNAD染色體間的相互作用和它們的表觀遺傳狀態(tài)，hNAD可分為三組，顯示出不同的順式/反式相互作用模式、與著絲粒的距離、以及與核纖層相關(guān)域（LADs）的重疊百分比。此外，放線菌素D（ActD）處理抑制Pol I轉(zhuǎn)錄活性后，引起了核仁解體，并顯著降低了hNAD信號強度和全基因組范圍內(nèi)A/B區(qū)室強度和TAD間互作的變化。

綜上，該研究開發(fā)了nHi-C實驗方法用于富集捕獲核仁相關(guān)染色質(zhì)互作，并通過nHi-C揭示了核仁相關(guān)染色質(zhì)互作的特征與規(guī)律，支持了核仁作為重要核內(nèi)細(xì)胞器組織異染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的功能。李程和軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院李亭亭助理研究員（原李程組博士后）為該研究通訊作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生彭婷、博士后侯英萍和孟浩巍為該研究共同第一作者。課題獲得了北京大學(xué)孫育杰、軍事醫(yī)學(xué)研究院陳河兵、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李國亮、北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院陳陽等老師的大力協(xié)助和寶貴建議。

來源：北京大學(xué)