三維基因組學(xué)概述及其在家畜生物育種方面的研究進(jìn)展

任妍妍，彭 巍，劉 賢，趙楊楊，張子敬，付長其，張 君，田全召，王二耀，雷初朝，黃永震*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海大學(xué)，西寧 810016；3.河南省畜牧總站，鄭州 450008；4.河南省鼎元種牛育種有限公司，鄭州 450000；5.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，鄭州 450002)

在過去20年，人類、小鼠、牛、羊等先后完成了基因組圖譜繪制，我們對核苷酸編碼的一維DNA分子有了深入了解，但哺乳動物的DNA線性長度可長達(dá)2 m，它是如何存在僅有10 nm左右的細(xì)胞核內(nèi)的呢?早期的二維線性基因組不能解釋基因的調(diào)控元件是如何與距離它們幾萬甚至十幾萬個核苷酸的靶基因相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，染色體的多級高度折疊和纏繞是以核小體為基本單位進(jìn)行的，形成動態(tài)的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，在僅有10 nm左右的細(xì)胞核中折疊，其在空間中的有序折疊，在調(diào)節(jié)基因表達(dá)中起著重要作用。許多研究表明，原本線性距離非常遠(yuǎn)的調(diào)控因子可以通過染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)達(dá)到空間上的近距離調(diào)控。細(xì)胞核中染色質(zhì)的存在位置不是無序的，而是受精密的調(diào)控，它們之間有千絲萬縷的聯(lián)系，并且其存在方式和位置都對基因表達(dá)調(diào)控起著重要的作用。隨著染色質(zhì)捕獲技術(shù)的發(fā)展，染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)逐漸被揭示，按照結(jié)構(gòu)單元大小和分辨率被分為4個層級：染色質(zhì)疆域(chromosome territories，CTs)、染色質(zhì)區(qū)室(chromatin compartments)、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域(topologically associated domains，TADs)、染色質(zhì)環(huán)(chromatin loops，CLs)。對三維基因組的研究能更好地探究基因間的互作機(jī)制以及染色質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)對動物生長發(fā)育的作用。

1 三維基因組的結(jié)構(gòu)單元

1.1 染色質(zhì)疆域

細(xì)胞核內(nèi)的每條染色質(zhì)相對獨立，不同染色質(zhì)僅在邊界有重疊，而且能與其他染色質(zhì)發(fā)生相互作用的區(qū)域稱為染色質(zhì)疆域(chromosome territories，CTs)。染色質(zhì)疆域是最早被發(fā)現(xiàn)的基因組空間結(jié)構(gòu)，早期細(xì)胞學(xué)家通過顯微鏡和熒光原位雜交技術(shù)對大量動、植物，微生物細(xì)胞進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)并非隨機(jī)分布在細(xì)胞核中，而是具有一定的結(jié)構(gòu)和規(guī)律，不同染色質(zhì)占據(jù)不同的空間[1]。CT在細(xì)胞核內(nèi)的分布與染色質(zhì)大小、基因密度、轉(zhuǎn)錄活性等有關(guān)?；蛎芏雀?，轉(zhuǎn)錄相對活躍的染色質(zhì)在細(xì)胞核中通常位于更中心的位置；而低基因密度的染色質(zhì)通?？拷?xì)胞核的邊緣[2]。在同一CT中，基因富集和轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域的DNA片段更頻繁地定位于CT的邊界處[3]。越來越多的證據(jù)表明，不同的染色質(zhì)疆域只在其邊界處發(fā)生重疊[4]，且重疊的染色體之間存在相互作用，使得與遺傳疾病相關(guān)的染色體間易位成為可能。

1.2 染色質(zhì)區(qū)室

2009年，Lieberman Aiden等[5]首次利用Hi-C技術(shù)揭示了染色體內(nèi)部基因組區(qū)域之間具有明顯的相互作用，并將基因組區(qū)分為兩個相對分隔的A區(qū)室和B區(qū)室。A/B區(qū)室代表開放和關(guān)閉兩種不同狀態(tài)的染色體區(qū)域(chromatin compartments)，A Compartment是轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，與基因富集區(qū)域、常染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域相關(guān)，表觀遺傳修飾標(biāo)記更為富集，如DNaseⅠ高敏位點和組蛋白H3K4me3等；B Compartment與基因沙漠、異染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)域相關(guān)，富集更多的抑制性組蛋白標(biāo)記，如H3K27me3[6]。染色質(zhì)間的相互作用更多發(fā)生在同一個區(qū)室內(nèi)的位點之間。在細(xì)胞核中，染色質(zhì)的空間分布不是隨機(jī)的，通常與細(xì)胞核結(jié)構(gòu)有關(guān)，A區(qū)室通常位于細(xì)胞核內(nèi)部，B區(qū)室主要定位于周圍的核纖層和核仁附近。最近有研究提出，通過分子模擬A/B區(qū)室的形成是經(jīng)由染色質(zhì)片段相分離過程：當(dāng)一段染色質(zhì)結(jié)合在核纖層或其它核小體上時，與之相同狀態(tài)的其他染色質(zhì)也會隨之結(jié)合進(jìn)而引發(fā)相分離，形成A/B區(qū)室[7]。有研究發(fā)現(xiàn)[8]，在細(xì)胞分化成熟的過程中往往伴隨部分染色質(zhì)區(qū)段的A/B區(qū)室轉(zhuǎn)變。在T細(xì)胞分化成熟過程中，其基因組A/B分區(qū)持續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，其中57.6%由B區(qū)室轉(zhuǎn)變?yōu)锳區(qū)室，37.4%由A區(qū)室轉(zhuǎn)變?yōu)锽區(qū)室，僅4.9%的區(qū)域在A/B分區(qū)上的存在反復(fù)。

1.3 拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域

2012年5月，Job Dekker團(tuán)隊[9]在小鼠失活的X染色體中心發(fā)現(xiàn)了大小介于200 kb～1 Mb之間的一系列離散的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域(topologically associated domains，TADs)。當(dāng)Hi-C互作圖譜的染色質(zhì)分辨率提高到40 kb或更高時，在互作熱圖上高度自我相關(guān)的染色質(zhì)區(qū)域表現(xiàn)為大小不一，具有明顯間隔的“三角形”[10]，每條染色體均由多個結(jié)構(gòu)單元組成，即拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域(TAD)，“三角形”的邊界被稱為TAD邊界。TADs是細(xì)胞核內(nèi)染色質(zhì)折疊的二級結(jié)構(gòu)單元，在核空間中形成獨立的結(jié)構(gòu)模塊，是一個高度自關(guān)聯(lián)的不間斷區(qū)域，其內(nèi)部染色質(zhì)相互作用強(qiáng)，相鄰區(qū)域之間有明顯的邊界且相互作用弱[10]。同一個TAD內(nèi)的基因通常處于相似的活性或非活性狀態(tài)。基因組活性與非活性狀態(tài)的改變總是發(fā)生在TAD邊界附近，這說明TAD邊界處可能具有隔離功能。Dixon等[11]在人類和小鼠4個細(xì)胞系上利用Hi-c技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)TAD位置及其邊界在不同細(xì)胞類型間及人和小鼠間均高度保守，即使在細(xì)胞分化過程中也表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的狀態(tài)，該研究結(jié)果支持了TAD邊界及其隔離功能在哺乳動物細(xì)胞中具有重要意義。TAD邊界處富含CTCF結(jié)合位點、看家基因、轉(zhuǎn)錄起始位點和一些短散在重復(fù)序列。黏連蛋白復(fù)合體和阻遏子CTCF是TAD邊界處的主要結(jié)合蛋白，兩者對TADs的定位和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)揮了重要作用[12]。還有研究發(fā)現(xiàn)，TAD邊界與DNA復(fù)制域邊界存在大量重疊，暗示TADs可能與DNA復(fù)制有關(guān)。2014年，Pope等[13]在人類和小鼠細(xì)胞系中研究了TADs與DNA復(fù)制的關(guān)系，得出結(jié)論“TADs是DNA復(fù)制時序調(diào)控基本單元”，DNA復(fù)制時序往往與染色質(zhì)狀態(tài)密切相關(guān)，處于活躍狀態(tài)的染色質(zhì)在細(xì)胞分裂階段會更早地被復(fù)制，而抑制狀態(tài)的染色質(zhì)則會被較晚地復(fù)制?？偟膩碚f，TAD作為染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)基本功能單位，占基因組結(jié)構(gòu)的絕大部分，廣泛存在于不同的細(xì)胞類型和不同的物種中，與細(xì)胞分化、基因表達(dá)調(diào)控、疾病發(fā)生和機(jī)體免疫等有著密切關(guān)系。

1.4 染色質(zhì)環(huán)

在1 kb的分辨率下，Rao等[14]發(fā)現(xiàn)了直接調(diào)控基因表達(dá)最精細(xì)的結(jié)構(gòu)和功能單元：染色質(zhì)環(huán)(chromatin loops，CLs)，這是一種由簡單染色質(zhì)纖維折疊而形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)環(huán)是可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)，它是由TAD內(nèi)的遠(yuǎn)端調(diào)控元件通過染色質(zhì)三維立體折疊或碰撞使與其靶基因在空間上可以相互接近從而調(diào)控基因。染色質(zhì)環(huán)大小通常在數(shù)百kb，遠(yuǎn)小于TAD，在Hi-C互作圖譜上顯示為更加細(xì)小的互作峰[15]。染色質(zhì)環(huán)的兩端通常與啟動子、增強(qiáng)子等基因調(diào)控元件相連，這些基因調(diào)控元件對不同細(xì)胞的基因表達(dá)量有很大影響，且形成染色質(zhì)環(huán)的基因表達(dá)量也高于沒有形成染色質(zhì)環(huán)的基因表達(dá)量，暗示染色質(zhì)環(huán)與基因激活和基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)[16]。染色質(zhì)環(huán)之間沒有重疊，大多數(shù)的CL中都存在CTCF和黏連蛋白亞基，CTCF和黏連蛋白共同參與了染色質(zhì)環(huán)的形成。早期有研究，將CTCF或cohesin敲除后會抑制染色質(zhì)環(huán)的形成，部分基因的表達(dá)量也發(fā)生變化，缺少兩者中的任意一個都會破壞染色質(zhì)環(huán)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證實了染色質(zhì)環(huán)與基因激活和基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)[17]。目前，染色質(zhì)環(huán)形成機(jī)制尚不清楚，早期生物學(xué)家利用CTCF結(jié)合位點信息預(yù)測基因組的折疊方式，并提出“環(huán)擠壓模型”解釋染色質(zhì)折疊成環(huán)機(jī)制[18]。染色質(zhì)環(huán)在不同物種、不同細(xì)胞系間具有相對的特異性和保守性，通過對染色質(zhì)環(huán)的深入研究，可以初步了解染色質(zhì)更深層次的三維結(jié)構(gòu)及其與基因調(diào)控表達(dá)的關(guān)系。

2 三維基因組分析方法

2.1 熒光原位雜交技術(shù)

FISH即染色體熒光原位雜交(flourescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)是通過將熒光素標(biāo)記的DNA探針與樣本細(xì)胞核內(nèi)的DNA目標(biāo)序列雜交，從而獲得細(xì)胞核內(nèi)染色體或基因狀態(tài)的信息[19]。早期生物學(xué)家以顯微鏡和熒光原位雜交技術(shù)對染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，可以進(jìn)行基因定位的單細(xì)胞分析。由于技術(shù)方法的限制，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)只能在低分辨率下解讀，而核組織的一般原則或個別基因的特征無法被高效且清晰地觀察到[20]。目前此方法應(yīng)用較少，隨著染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)的發(fā)展，才深入了解了基因組內(nèi)染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)信息。

2.2 染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)(3C)

2002年Job Dekker等[21]開發(fā)了染色質(zhì)構(gòu)象捕獲(capturing chromosome conformation，3C)新技術(shù)并應(yīng)用于酵母染色質(zhì)互作觀察。3C技術(shù)通過生物學(xué)分析可以將特定位點之間的三維互作信息反映到二維互作圖譜上，從而確定特定DNA位點與相鄰位點的互作情況[22]。3C技術(shù)的基本操作步驟為：(1)分離細(xì)胞，利用甲醛固定樣本，使細(xì)胞發(fā)生原位交聯(lián)，此步可使空間上相鄰的染色質(zhì)片段發(fā)生共價連接；(2)可利用限制性內(nèi)切酶或超聲波將DNA分子切割成特定大小的片段，該步驟可消化DNA—蛋白質(zhì)復(fù)合物；(3)在極低DNA濃度條件下利用DNA連接酶將空間上接近的DNA片段優(yōu)先發(fā)生連接，此步可降低DNA片段之間發(fā)生隨機(jī)連接；(4)提取處理過的DNA，最后設(shè)計兩個特定基因位點的上下游引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，檢測新連接片段的相對豐度，則可以判斷這兩個特定位點是否存在遠(yuǎn)距互作[23]。

3C技術(shù)只能驗證一個位點與另一個位點之間的相互作用，而且每驗證一對位點的相互作用就需要設(shè)計一對特異性引物，操作復(fù)雜，在實際應(yīng)用中存在一定的局限性[24]。為了解決3C技術(shù)中存在的不足，科研工作者們先后又發(fā)明了基于3C技術(shù)的各種衍生技術(shù)，例如4C(circularized chromosome conformation capture，4C)，5C(carbon-copy chromosome conformation capture，5C)，Hi-C(High-throughput chromosome conformation capture，Hi-C)，ChIA-PET，ATAC-seq等技術(shù)[25]。其中4C技術(shù)可以檢測一個位點對多個位點的互作；5C技術(shù)可同時測定多個位點的相互作用；Hi-C能夠檢測所有目標(biāo)基因組位點的所有位點的相互作用；ChIA-PET技術(shù)類似于Hi-C技術(shù)，改善了測序過程中產(chǎn)生的噪音；ATAC-seq能檢測開放區(qū)域染色質(zhì)的DNA序列。3C及其衍生技術(shù)的快速發(fā)展，極大地促進(jìn)了其在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2.3 Hi-C

在3C衍生技術(shù)中，Hi-C技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，可以一次性檢測所有染色質(zhì)片段互作信息。2009年Job Dekker等[26]發(fā)明了Hi-C技術(shù)，它結(jié)合了染色體構(gòu)象捕獲和高通量測序技術(shù)，它是以整個細(xì)胞核為研究對象，利用新一代測序技術(shù)與分子標(biāo)記，研究DNA在整個染色質(zhì)中的空間位置，通過捕獲全部DNA在染色質(zhì)內(nèi)的互作模式，從而得到高分辨率的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)信息。Hi-C操作技術(shù)與3C技術(shù)有所不同，主要步驟為：(1)加入甲醛以固化基因組中參與染色質(zhì)互作的蛋白質(zhì)；(2)用限制性內(nèi)切酶切割固定后的染色質(zhì)。限制性內(nèi)切酶有兩種：6 bp和4 bp的限制性內(nèi)切酶，后者的分辨率更高；(3)得到具有平末端和粘性末端的片段，修復(fù)末端并添加生物素標(biāo)記；(4)使用T4 DNA連接酶連接互作片段，將未互作的DNA片段去生物素，得到交聯(lián)片段；(5)利用超聲波或其他方法再次打斷片段；(6)用鏈霉親和素磁珠將富集生物素標(biāo)記的片段進(jìn)行捕獲，制作文庫并進(jìn)行高通量測序，最終獲得高通量染色質(zhì)互作信息[27]。

Hi-C技術(shù)被廣泛應(yīng)用于疾病風(fēng)險預(yù)防、輔助動物基因組裝、挖掘基因調(diào)控組件、識別三位基因組結(jié)構(gòu)變化等研究工作中。雖然Hi-C技術(shù)可以提供全基因組所有染色質(zhì)位點之間的互作信息，但Hi-C技術(shù)中也存在很多問題，其中包括：實驗成本高、測序量大、測序過程中噪音大、過程繁瑣、周期長等缺陷[28]。為了解決這些問題，科研工作者們開發(fā)了一系列Hi-C優(yōu)化技術(shù)，如原位Hi-C(in situ Hi-C)和基于酶切酶連的Hi-C(Digestion-Ligation-Only Hi-C，DLO Hi-C)等技術(shù)。原位Hi-C技術(shù)通過在細(xì)胞核原位完成交聯(lián)、酶切、連接步驟，同時縮短了實驗周期，減少了假陽性結(jié)果。在DLO Hi-C技術(shù)中，生物素標(biāo)記這一步驟被去除，僅需2輪簡單的酶切酶連反應(yīng)就可以構(gòu)建高質(zhì)量的DLO Hi-C測序文庫，其主要優(yōu)點是縮短試驗時間、降低了試驗成本和測序成本、噪音、數(shù)據(jù)提取以及后期分析的難度，可以獲得更有效的交互數(shù)據(jù)[28]。

2.4 CRISPR研究三維基因組的技術(shù)方法

成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列及其相關(guān)蛋白(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein，CRISPR/Cas)是細(xì)菌和古菌在面對病毒入侵時出現(xiàn)的原核生物適應(yīng)性免疫系統(tǒng)[29-30]。當(dāng)外源DNA入侵時，細(xì)菌會啟動自身的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，迅速獲取病毒基因的序列，然后整合到自己基因組內(nèi)的一個特定位點，形成CRISPR重復(fù)—間隔基因座，從而獲取對病毒的抗性，當(dāng)外源DNA再次入侵時，CRISPR重復(fù)—間隔基因座便會轉(zhuǎn)錄并加工為crRNA(CRISPR RNA)，并引導(dǎo)DNA核酸內(nèi)切酶Cas9蛋白到達(dá)病毒基因的位置，執(zhí)行切割功能，從而破壞病毒基因。CRISPR/Cas系統(tǒng)的效應(yīng)酶不止Cas9蛋白，Cas蛋白家族有很多類型的Cas酶，包括Cas9、Cas13、Cas12等[31]。通過CRISPR系統(tǒng)不僅能夠切割病毒的基因，還能夠被設(shè)計成特異地刪除與3D基因組結(jié)構(gòu)相關(guān)的基因組片段，進(jìn)而研究由此引起的基因表達(dá)改變，CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)可對靶向基因進(jìn)行特定DNA修飾的技術(shù)，該技術(shù)可以用于制作細(xì)胞或動物模型的基因組調(diào)控元件的插入、刪除、反轉(zhuǎn)，并且可以用來研究三維基因組調(diào)控生命過程的機(jī)制，以及腫瘤、神經(jīng)退行性病變等各種疾病的治療中[32]。

CRISPR/Cas9系統(tǒng)在三維基因組中的應(yīng)用主要依賴于能夠特異性結(jié)合基因的CRISPR/Cas序列，利用這一特性，可將修飾或未修飾的Cas9蛋白招募到特定的基因組位點上，使活細(xì)胞的特定染色體片段的時空動態(tài)可視化，對基因組進(jìn)行切割和功能改造[33]。三維基因組中存在大量的染色質(zhì)重排，可以利用DNA大片段編輯技術(shù)進(jìn)行模擬，包括DNA片段刪除、重復(fù)、移位、反轉(zhuǎn)等[34]。若將CTCF 區(qū)域或者染色質(zhì)環(huán)的邊界區(qū)域設(shè)計為基因組大片段刪除的對象，就可以通過刪除這些區(qū)域破壞3D基因組的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究這些區(qū)域?qū)τ诨虮磉_(dá)的影響和功能。染色質(zhì)架構(gòu)蛋白CTCF的結(jié)合位點被CRISPR/Cas9雙切系統(tǒng)進(jìn)行反轉(zhuǎn)、插入或敲除，其研究結(jié)果都表明了CTCF對于維持細(xì)胞三維基因組架構(gòu)和動態(tài)調(diào)控都具有重要作用[32，35]。有研究[36]利用DNA片段編輯技術(shù)將基因組部分進(jìn)行刪除與反轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)DNA復(fù)制時間發(fā)生了變化，說明這些片段可能包含一些調(diào)控DNA復(fù)制時間時空特性的重要元件。單獨刪除與共同刪除這些元件對DNA復(fù)制的影響不同，說明這些元件之間在發(fā)揮作用時可能存在相互依賴性[31]。Hi-C結(jié)果也表明這些元件的刪除會影響基因組區(qū)室劃分以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域的強(qiáng)度。將基因組位點在三維空間直接可視化，能夠幫助理解基因組的空間架構(gòu)以及與基因表達(dá)調(diào)控等生命活動的關(guān)系[31]。該方法是利用CRISPR/Cas系統(tǒng)結(jié)合基因組的序列特異性，失活的dCas9(nuclease-deactivated Cas9，D10A和H841A)熒光蛋白嵌合體可以被 sgRNA招募到基因組的特定位點，從而使活細(xì)胞的特定染色體片段的時空動態(tài)可視化[33]。dCas9/sgRNA復(fù)合體的穩(wěn)定性以及dCas9蛋白結(jié)合DNA的高親和性使得該方法可以被廣泛地應(yīng)用于細(xì)胞三維基因組特定位點標(biāo)記[37]。隨著高通量技術(shù)的發(fā)展，相信基因組3D結(jié)構(gòu)會被揭示得更加清楚，從而實現(xiàn)深入研究染色質(zhì)空間構(gòu)象、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)機(jī)制、基因表達(dá)機(jī)制等問題。

3 三維基因組學(xué)在家畜方面的研究進(jìn)展

染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)是重要的表觀遺傳因素，與基因表達(dá)調(diào)控、發(fā)育及疾病等密切相關(guān)[38]。在動物育種中，探索遠(yuǎn)距離基因互作、非編碼DNA調(diào)控元件對基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響，構(gòu)建動物三維轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，探索研究三維基因組學(xué)相關(guān)技術(shù)在動物科學(xué)上的應(yīng)用，揭示影響國內(nèi)外畜禽品種生長速度、瘦肉沉積率[39]、產(chǎn)肉能力[40]、繁殖等重要經(jīng)濟(jì)性狀形成的新機(jī)制。

3.1 在畜禽中的研究

在國內(nèi)，西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院已完成秦川牛肌肉基因組三維結(jié)構(gòu)及其對肌肉發(fā)育相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究[6]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)胎牛和成年牛肌肉的loop結(jié)構(gòu)存在大量差異，包含447個增強(qiáng)子，其中與基因啟動子成環(huán)的增強(qiáng)子有240個；構(gòu)建了牛肌肉基因組調(diào)控元件互作圖譜，在共計4716對啟動子—增強(qiáng)子互作中有142個肌肉發(fā)育相關(guān)基因受到303個增強(qiáng)子調(diào)控，這些結(jié)果為肌肉發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制分析提供了數(shù)據(jù)支持。對這些基因的相關(guān)研究能夠有效避免如世代間隔時間長，改良效率低、優(yōu)良種質(zhì)資源浪費等現(xiàn)如今育種工作所面臨的問題[41]。

豬是重要的經(jīng)濟(jì)家畜，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)是重要的表觀遺傳因素，與基因表達(dá)調(diào)控、發(fā)育和疾病等密切相關(guān)。然而豬染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)仍是一個新的探索領(lǐng)域[42]。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院王彥芳團(tuán)隊等[43]構(gòu)建了豬體細(xì)胞染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖譜，追蹤豬在早期胚胎發(fā)育過程中染色質(zhì)空間構(gòu)象重編程過程。這項研究表明，在胚胎成功發(fā)育過程中，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重編程的速率可能起著關(guān)鍵作用。該研究成果為豬染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)化研究提供了理論依據(jù)，并為提高豬的輔助生殖效率提供了參考價值。西北農(nóng)林科技大學(xué)曾文先教授團(tuán)隊[44]系統(tǒng)研究了豬精原干細(xì)胞和分化精原細(xì)胞的染色質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步闡明了精原干細(xì)胞分化過程中的高級染色質(zhì)動態(tài)變化。研究首次明確了精原干細(xì)胞分化過程中的三維基因組空間結(jié)構(gòu)變化及其對基因表達(dá)的重要調(diào)控作用，對揭示精原干細(xì)胞分化的分子機(jī)制具有重要意義，極大地擴(kuò)展了人們對豬精原干細(xì)胞發(fā)育進(jìn)程的認(rèn)識。四川農(nóng)大動科學(xué)院豬遺傳育種團(tuán)隊[45]通過空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，從單根肌纖維分辨率的水平揭示了3種不同肌纖維亞型的在能量代謝和脂質(zhì)沉積上的差異。并且在現(xiàn)有豬參考基因組的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充完善注釋了大量調(diào)控性轉(zhuǎn)錄本；并采用Hi-C技術(shù)重構(gòu)了豬脂肪組織的染色質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)。該研究對豬肉質(zhì)性狀形成的分子機(jī)制進(jìn)行了深入解析，并為以后開展分子育種提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)家禽團(tuán)隊劉小軍教授[46]通過比較地方品種盧氏雞和快大型AA肉雞在三維基因組結(jié)構(gòu)上的差異，首次揭示了染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域(TAD)變化對雞肌纖維發(fā)育和肌內(nèi)脂肪(IMF)沉積的影響，該研究加深了我們對肌肉發(fā)育和脂質(zhì)積累過程中染色質(zhì)動力學(xué)的理解，而且還揭示了雞肌肉發(fā)育和IMF沉積的表觀遺傳調(diào)控新機(jī)制。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)李地艷教授團(tuán)隊[47]對雞不同卵泡發(fā)育時間點的顆粒細(xì)胞進(jìn)行了研究，利用多組學(xué)聯(lián)合分折對卵泡發(fā)生過程中的關(guān)鍵階段染色質(zhì)構(gòu)象動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行深入解析。結(jié)果表明，作為染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)蛋白的CTCF在雞的三維基因組結(jié)構(gòu)形成中起到了重要作用。這一研究結(jié)果為家禽分子育種過程中提高卵母細(xì)胞質(zhì)量、發(fā)育能力及其受精后種蛋質(zhì)量提供了重要的理論依據(jù)，為高繁殖性能新雞種的選育及繁殖性狀研究提供了新思路。有研究人員解析北京鴨的三維基因組空間構(gòu)象[48]通過Hi-C數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)IGF2BP1基因由于遠(yuǎn)距離增強(qiáng)子的自然突變，導(dǎo)致在胚胎期起生長促進(jìn)作用的IGF2BP1基因在北京鴨出殼后仍不斷表達(dá)，提高了飼料利用率從而體格變大。該研究結(jié)果為鴨子的經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳改良提供了理論依據(jù)。

4 小結(jié)和展望

隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，在現(xiàn)代生物育種中，人類已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)和信息在生物大分子結(jié)構(gòu)和功能上，例如核酸和蛋白質(zhì)，現(xiàn)代動物育種技術(shù)還結(jié)合了遺傳學(xué)理論、生物技術(shù)、計算機(jī)、系統(tǒng)工程等育種方法，實現(xiàn)分子育種，從遺傳上改良種質(zhì)并使其達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益，提高選種選配的效果，提高育種的準(zhǔn)確性。

三維基因組學(xué)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等多個領(lǐng)域。本文主要介紹了其在動物科學(xué)方面的研究進(jìn)展，DNA的三維結(jié)構(gòu)極大地影響了生物復(fù)雜性狀的形成，例如畜禽上的肉用性狀、毛色性狀、體型、對飼料的利用率等。

我國目前存在引入大量外來品種，導(dǎo)致本地品種在市場中的占比很小的問題，許多畜禽品種依賴進(jìn)口，種業(yè)內(nèi)在的核心技術(shù)創(chuàng)新不足，國內(nèi)大量種質(zhì)資源僅有很少一部分進(jìn)行研究，真正有用的基因類型還沒有被發(fā)掘，地方特色種質(zhì)資源開發(fā)不足，種質(zhì)資源消失的風(fēng)險加劇，種質(zhì)資源的發(fā)掘保護(hù)要和種質(zhì)資源庫建設(shè)同時進(jìn)行，先要有足夠的種質(zhì)資源達(dá)到量變，以此為基礎(chǔ)，才能引發(fā)研發(fā)創(chuàng)新的質(zhì)變。

三維基因組學(xué)是基因組學(xué)研究的熱點前沿領(lǐng)域之一，聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組、表觀組、代謝組等多組學(xué)的分析，揭示染色質(zhì)構(gòu)象與具體基因功能的關(guān)系。三維基因組學(xué)研究基因組各種元件的功能及其調(diào)控關(guān)系，可以進(jìn)一步識別和分析關(guān)鍵突變及其機(jī)制，是高技術(shù)與高維數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的新組學(xué)研究，其可以將目前已知的二維平面數(shù)據(jù)立體化起來，使得系統(tǒng)生物學(xué)有了更深層次的探究。因此對我國重要家畜的三維基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，不但為精準(zhǔn)育種和重要經(jīng)濟(jì)性狀改良提供理論依據(jù)，也為我國農(nóng)業(yè)科技的持續(xù)創(chuàng)新提供有力的基礎(chǔ)支撐。