从生到死，是什么驱动了染色质的分相变化？

染色质主要是由蛋白质和DNA组成，其中DNA的序列信息对染色质构建空间结构有重要作用。

高精度的染色质全基因组范围的相互作用，可以揭示染色质精细的结构特征，有助于探究结构建立和功能实现背后的机理。

从出生到衰老的过程中，染色质结构是否遵循一定的变化规律呢？

研究者从序列区段的角度进行探索，发现染色质结构的变化规律，加深了人们对生命体系的理解。

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隔间结构的形成

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什么是隔间结构？

2009年，Erez Lieberman-Aiden等人首次使用Hi-C技术研究人类染色质组，得到整个染色质组不同位点之间的相互作用^【1】。

对上图的接触矩阵A进行距离归一化处理后得到矩阵B，再计算相关矩阵C，我们可以看到明显的“格子”图案，用主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)分出两种特征元素，进一步分析确认每个染色质区域是由两种不同性质的隔间结构组成：开放隔间(compartment A)和封闭隔间(compartment B)。开放隔间一般有更多基因、有更高的表达量、更高的染色质可接近度，是一个开放、可接近的、活跃转录的染色质区间，而封闭隔间则相反。

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隔间结构是否保守？

拓扑关联结构域(TAD)在不同细胞类型间具有一定的保守性，那么隔间结构呢？当保守性的容错为1时，统计小鼠和人的不同分化细胞，得到各自的保守比例在71.6%和61.6%，说明隔间结构也具有一定的保守性^【2】。隔间结构其实对应着活跃的常染色质(euchromatin)和不活跃的异染色质(heterochromatin)的空间分离。那么这种保守性的来源是什么呢？

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两种序列区段

将序列比对到三维染色质结构时，会发现隔间A中富集CpG。根据GC含量的不同，研究者在哺乳动物的基因组中发现有等容区域(isochores)，这些等容区域与结构性质、生物性质有关。然而根据CGI密度能更好地划分序列的斑块性(mosaicity),得到CGI富集的森林(forest)区域与CGI稀疏的草原(prairie)区域^【3】。这两类区域在基因、表观遗传、转录性质、结构上都明显不同，而且比isochores能更好地区分各种性质。

CGI森林与草原区域的性质截然不同

(a)CGI、基因、组蛋白修饰、Pol II结合位点和DNase超敏感区位点沿序列的分布；(b)森林与草原区域的基因表达水平；(c)二者的结构性质差异。

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基于序列性质的相分离

在保守的隔间区域，研究者发现隔间A主要是由forest组成，隔间B则是由prairie组成。因此，这种基于序列的forest、prairie区域间的性质差异所产生的相分离，可能是隔间保守性的来源，而相分离的驱动力可能是prairie的“沉淀”，因为prairie的可及性较低，组蛋白占据较多，组蛋白与DNA骨架的电性中和，使染色质的极性减弱，因此在水溶液的环境中容易分相。

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其他研究的支持

不同序列特征的DNA混合物的粗粒化模拟实验表明，TA富集的DNA链会自发形成稳定的束状结构，而CG富集的DNA链仍处于分散状态，这一实验支持了DNA序列能自发分相成不同核苷酸组成的区域^【4】。

另外，最近Mirny等人也发现异染色质之间的吸引力对于隔间化、活跃区域和非活跃区域的相分离是非常关键的，这一点和prairie的分离是一致的。这种异染色质驱动的隔间化，与Schwarzer等人提出的不依赖于cohesion的染色质分相，其实本质都是序列驱动的相分离。

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热力学驱动的序列相分离

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不同过程中的序列相分离

在胚胎发育中，不同序列区段间的空间分离加剧，这一点与不同性质的隔间之间的相互作用在发育晚期比早期更少（即隔间AB之间更加分离）是一致的。

对于分化过程，分化细胞和多能性细胞相比，染色质结构更加分离，尤其是prairie区域，导致隔间B或异染色质的增加。这一点和小鼠神经发育中隔间B中相互作用增加、A中相互作用减少是一致的。

衰老细胞中的染色质同样表现出更强的分相和特别的长程聚集，尤其是prairie。Chandrad等人也观察到大多数GC-poor的isochores在衰老中也丢失了局域相互作用，变为远程作用，这和衰老相关异染色质域(SAHF)的出现有关，也与prairie的长程聚集是一致的。

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相分离在表观遗传性质上的表现

除了染色质结构变得更加分相，表观遗传特征也表现出区域间差异增大的趋势。Forest和prairie区域的远海（就是CGI区域4kb之外）DNA甲基化差异，在一定程度上能反映染色质结构的分离程度。这种差异从合子到ICM，以及从多能性细胞到分化细胞都是增加的趋势。

综上，从出生到老，染色质整体上经历了分相加强的变化，这一变化的驱动力可能是基于序列特征的相分离。

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细胞特异性相关的基于序列的混相

一个有趣的问题是，在这种整体分相的趋势下，不同类型的细胞是如何建立起细胞特异性的呢？

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prairie区域可能是特异性实现的潜力区

前人的研究表明，组织特异性基因倾向于集中分布在GC-poor的区域。而prairie区域中所含基因的表达量变异系数比forest中的基因更大，表明prairie区域包含了更多易于调控的基因，因此可能在细胞分化中发挥了重要作用。

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混相有利于特异性的实现

与细胞特异性比较有关的是一些特异性的相互作用，比如增强子和启动子之间的相互作用。虽然有很多证据表明拓扑关联结构域（TAD）有助于增强子和启动子之间相互接触，不过在分化过程中，TAD的insulation score是减小的，表明这个过程伴随着TAD间相互作用的建立。而且造血细胞的高精度启动子的相互作用图谱表明，有三分之一的启动子的作用是跨TAD边界的。研究者还发现，TAD的形成阻碍了compartment的分离，当去掉cohesin时，TAD消失，隔间增强，而增加cohesin时，隔间化被抑制，由此推测TAD的形成可能“混合”不同类型的compartment结构，减弱了整体的隔间化^【5】。

此外，目前分析表明，分化中forest和prairie区域的阻隔分数在减小，prairie中的组织特异性基因倾向位于A-B边界附近，有利于相混合。

这些证据表明，TAD的形成使得不同DNA区域的contact形成，减弱了分相和隔间化。而且特异性位点的分相程度比整体要小，表明更多的sequence-type间的长程相互作用可能有利于分化的建立。

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特异性实现的可能方式

这种混相带来的细胞特异性，可能是通过与活跃的forest区域相互作用，来激活prairie上的组织特异性基因。研究者从在两个方面观察到这种混相变化。在隔间尺度上，位于从compartment B变化到A的prairie区域的基因，表达量升高，功能上也表现出细胞特异性。在局域结构上，位于forest环境的prairie基因也具有组织特异性的功能。这种混相变化也可能是隔间结构不保守的原因。

总结

基于序列的不均匀性，研究者分出的不同性质区段，观察染色质在不同生命过程中的结构改变，并提出了基于序列的分相与混相模型。在发育、分化和衰老过程中，染色质整体呈更分相的趋势，同时伴随着细胞特异性的混相变化^【6】。

相信大家现在对于DNA序列本身的斑块性质有了认知，这一性质在染色质三维结构的构建、分相与混相变化中起着基本性的重要作用。那么在我们尝试分析发育、分化以及癌变过程时，将不同性质的序列分开思考，基因虽少、特异性却强的prairie区域也许会提供给我们更多的发现！

最后希望这篇分享带给大家一些启发~之后也会以更多新思路、新方法的文章与大家分享~ 生命其实是最复杂又有趣的体系，希望走在生命探索之路的我们也更多分享、讨论，激发灵感的火花！欢迎大家转发分享、留言讨论^_^

参考文献

[1] Lieberman-Aiden E, van Berkum NL, Williams L, Imakaev M, Ragoczy T, Telling A, Amit I, Lajoie BR, Sabo PJ, Dorschner MO, et al.: Comprehensive mapping of long range interactions reveals folding principles of the human genome. Science 2009, 326:289–293.

[2] Schmitt AD, Hu M, Jung I, Xu Z, Qiu Y, Tan CL, Li Y, Lin S, Lin Y, Barr CL, et al.: A compendium of chromatin contact maps reveals spatially active regions in the human genome. Cell Rep 2016, 17:2042–2059.

[3] Liu S, Zhang L, Quan H, Tian H, Meng L, Yang L, Feng H, Gao YQ: From 1D sequence to 3D chromatin dynamics and cellular functions: a phase separation perspective. Nucleic Acids Res 2018, 46:9367–9383.

[4] Kang H, Yoo J, Sohn B-K, Lee S-W, Lee HS, Ma W, Kee J-M, Aksimentiev A, Kim H: Sequence-dependent DNA condensation as a driving force of DNA phase separation. Nucleic Acids Res 2018, 46:9401–9413.

[5] Schwarzer W, Abdennur N, Goloborodko A, Pekowska A, Fudenberg G, Loe-Mie Y, Fonseca NA, Huber W, Haering CH, Mirny L, et al.: Two independent modes of chromatin organization revealed by cohesin removal. Nature 2017, 551:51–56.

[6] Quan H, Yang Y, Liu S, Tian H, Xue Y, Gao YQ: Chromatin structure changes during various processes from a DNA sequence view. Current opinion in structural biology 2020, 62:1-8.

作者|Resther

审稿|童蒙

编辑|amethyst

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