Hi-C 测序技术（图解详解）

一、介绍

Hi-C 技术源于基因组捕获技术（Chromosome conformation capture，3C），用于分析染色质三维空间结构的一种测序方法。[^1]

关于什么是三维基因组，可以参考：一文读懂三维基因组

用途：

• 量化在三维空间中基因组的染色质间交联（cross-linked chromatin）
• 解析全基因组互作模式，如启动子和增强子互作
• 构建三维空间结构模型，如研究基因组三维结构特征：compartment，TAD，loop等
• 构建全基因组互作图谱
• 辅助提升基因组组装
• 构建基因组单体型图谱

二、原理及步骤

1、甲醛固定

先加入甲醛将基因组中参与染色质互作作用的蛋白质凝固

一般将活体样本在室温用 1-3%的甲醛处理 10-30min，但是此步骤会减少限制内切酶对DNA序列的消化效率，需要严格控制。[^2]

2、酶切序列

用限制性内切酶切割基因组，打断后的片段大小会影响测序分辨率，一般有两种酶可供选择：6bp 的限制性内切酶，4bp 的限制性内切酶。后者具有更高的分辨率。EcoR1 或 HindIII 用于每4000bp切割一次基因组，在人类基因组中产生约100万个片段。[^2]

3、末端修复

得到的片段具有平末端或粘性末端，然后将末端补平修复，加入生物素。

4、连接及解交联

使用 T4 DNA连接酶连接互作片段，形成环状。将连接DNA片段的蛋白质消化掉，得到交联片段。

5、序列打断

使用超声波或其他方式，再次打断片段。

6、上机测序

用磁珠将带生物素的捕获，制作文库，上机测序。

三、三维基因组检测技术比较

下图展示了目前主流三维基因组测序技术[^3]：

1、C技术

3C（一对一）

基因组捕获技术（Chromosome conformation capture，3C）是最早研究三维基因组的技术，需要提前知道互相作用区域，才能量化一对基因组基因座之间的互相作用。[^4]

4C（一对多）

染色体构象捕获芯片（Chromosome conformation capture-on-chip，4C ），可以捕获一个基因区域其他区域间的互相作用。该技术不需要知道作用区域的先验知识就可以使用。[^5]

5C（多对多）

染色体构象捕获碳拷贝（Chromosome conformation capture carbon copy，5C） ，可以检测某段区域内所有的互作，但是该区域一般<1 Mb。覆盖度的问题也就造成该技术不适用于全基因组测序。[^6]

Hi-C（全部互作）

高通量基因组捕获技术，基本解决了上述技术的缺点，可以实现全基因组覆盖检测全部未知互作区域。

2、基于免疫沉淀技术

ChIP-loop

该技术将 3C 与 ChIP-seq 结合，可以检测目的蛋白质介导的两个目的基因区域互作。[^7]

ChIA-PET

该技术将 HiC 与 ChIP-seq 结合，可以检测目的蛋白质的所有互相作用.[^8]

四、总结

	互作	覆盖	作用
3C	单对单	< 1 Mb	检测已知基因组基因区域之间的互相作用
4C	一对多	全基因组	确定某基因组区域与其他区域的互相作用
5C	多对多	< 1Mb	确定染色体特定区域内的全部高级结构
Hi-C	全部互作	全基因组	检测全基因组范围内的全部高级结构
ChIP-loop	一对一	< 1 Mb	检测目的蛋白质介导的两个目的基因区域互作
ChIA-PET	全部互作	全基因组	检测目的蛋白质的所有互相作用

[^1]: de Wit E, de Laat W (January 2012). “A decade of 3C technologies: insights into nuclear organization”
[^2]: Naumova N, Smith EM, Zhan Y, Dekker J (November 2012). Analysis of long-range chromatin interactions using Chromosome Conformation Capture
[^3]: Li, G., Cai, L., Chang, H., Hong, P., Zhou, Q., Kulakova, E. V, … Ruan, Y. (2014). Chromatin Interaction Analysis with Paired-End Tag (ChIA-PET) sequencing technology and application.
[^4]: Dekker J, Rippe K, Dekker M, Kleckner N (February 2002). “Capturing chromosome conformation”. Science.
[^5]: Zhao, Zhihu. et al. (2006). “Circular chromosome conformation capture (4C) uncovers extensive networks of epigenetically regulated intra- and interchromosomal interactions”. Nature Genetics.
[^6]: Dostie J, Richmond TA, Arnaout RA, Selzer RR, Lee WL, Honan TA, et al. (October 2006). “Chromosome Conformation Capture Carbon Copy (5C): a massively parallel solution for mapping interactions between genomic elements”. Genome Research.
[^7]: Horike S, Cai S, Miyano M, Cheng JF, Kohwi-Shigematsu T (January 2005). “Loss of silent-chromatin looping and impaired imprinting of DLX5 in Rett syndrome”. Nature Genetics.
[^8]: Fullwood MJ, Liu MH, Pan YF, Liu J, Xu H, Mohamed YB, et al. (November 2009). “An oestrogen-receptor-alpha-bound human chromatin interactome”]. Nature.