通過Fiber-seq以單倍型視角解析人類基因調控

傳統的短讀長染色質分析（如 scATAC-seq、DNase-seq）在進行人類基因組分析時，依賴3Gbp 基因組拼接，難以解析二倍體基因組的單倍型差異（但人類基因組實際上是二倍體，總大小6G），且在片段重復（SD）區域存在 mapping 偏差，無法準確量化等位基因特異性染色質可及性。

來自華盛頓大學的研究團隊開發了FIRE（Fiber-seq Inferred Regulatory Elements） 方法，通過Fiber-seq技術（基于HiFi測序的染色質可及性檢測方法）實現了對人類 6 Gbp 二倍體基因組的單倍型分辨染色質可及性分析。FIRE 克服了短讀長測序的局限，能精準識別調控元件，揭示了單倍型選擇性染色質可及性（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）、疾病相關遺傳變異對調控模式的破壞、HLA 基因座的高調控多樣性，以及體細胞表觀突變（mitotically stable）的克隆擴張機制。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制，為理解人類基因調控的復雜性和疾病機制提供了全新視角。這一研究成果于2025年6月發表于預印本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控發現：

1）單倍型選擇性染色質可及性（HSCA）

在GM12878 中識別出 9,773 個名義顯著 HSCA 元件，1,231 個全基因組顯著。HSCA 的驅動機制可分為三類：① 遺傳變異驅動（56% HSCA），元件內含雜合變異，富集 GWAS 疾病關聯變異，且在不同組織中調控模式一致（R=0.76）；② 印記驅動（5% HSCA），依賴親源來源，包括傳統 CpG 甲基化依賴型及新型非甲基化依賴型（如 MAGEL2 區域）；③ 體細胞表觀突變驅動（44% HSCA，HSCA-noVar），無遺傳變異，調控模式在不同組織中不一致（R=0.15），隨克隆擴張積累，呈非遺傳確定性。

 
2）新型印記元件

發現 30 個在 13 個成纖維細胞系中表現一致親源偏倚的 HSCA 元件，其中 5 個為新型印記元件，不依賴親源 CpG 甲基化差異（如 MAGEL2、ZDBF2 區域）。

 
3）HLA 基因座的調控多樣性

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

疾病關聯：解析乳糜瀉相關變異 rs9271894，發現其破壞 E-box 與 CCAAT 框的協同轉錄因子結合，導致單倍型選擇性調控異常。

 
4）體細胞表觀突變

無遺傳變異的 HSCA 元件（HSCA-noVar）在不同組織 / 細胞系中表現非確定性（如 COLO829BL 與 COLO829T 的 R=0.15）。成纖維細胞克隆擴張程度與 HSCA-noVar 數量正相關（R=0.95），表明表觀突變隨克隆擴張積累。

 
5）X 染色體失活（XCI）機制

FIRE 通過單倍型分析發現：① CTCF 元件的邊界作用，78.9% Xi 特異性元件為 CTCF 結合位點，可隔離 XCI 區域與逃逸區域（如 UBA1 基因的 CTCF 元件在 Xa 和 Xi 均有結合）；② 基因逃逸的條件，僅啟動子可及性不足以實現逃逸，需近端（5 kb 內）調控元件共同激活（逃逸基因的近端逃逸元件數量是失活基因的 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 或逃逸基因啟動子，直接關聯轉錄活性。

總結：

FIRE 方法通過長讀測序實現了二倍體基因組的單倍型分辨調控分析，揭示了 HSCA 的廣泛存在及多種驅動機制（遺傳變異、印記、表觀突變），解析了 HLA 基因座的高調控多樣性和 XCI 的分子細節。該研究為理解人類基因調控的復雜性、疾病關聯變異的功能解析提供了關鍵工具和全新視角。

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