hi-c 文献导读-1 basic

最近开始hi-c为代表的三维转录组的学习。即由于染色体的高度折叠性,即使同一染色体一维上相距很远的elements,也有可能空间距离很近,而产生interaction。
hi-c是目前探索相关信息的主要方法之一,本篇文献首次提出hi-c method,并进一步发现了染色体compartment分域方法。

  • 文献:Comprehensive mapping of long range interactions reveals folding principles of the human genome
  • PubMed ID:19815776
  • GEO:GSE18199
  • 关键字:hi-c method;A/B compartment

1、构建 hi-c library

1-1

如上基本步骤为

  • (1)cells are crosslinked with formaldehyde;
    DNA与甲醇交联,固定DNA(如果DNA间发生interaction,会有相关蛋白将interaction 区域固定在一起)
  • (2)DNA is digested with a restriction enzyme that leaves a 5′-overhang;
    使用限制内切酶切开DNA,产生黏性末端(一端有一段缺口),有interaction的DNA片段会形成一个H形;
  • (3)the 5′-overhang is filled, including a biotinylated residue;
    粘性末端缺口补平(包含biotinylated,如上图是那个紫色的标记)
  • (4)the resulting blunt-end fragments are ligated ;
    H两端分别连接,成θ
  • (5)A Hi-C library is created by shearing the DNA and selecting the biotin-containing fragments with streptavidin beads.
    DNA打断碎片,富集、纯化含有biotinylated的片段,最终形成Hi-c library,进行测序。
  • (6)parallel DNA sequencing, producing a catalog of interacting fragments
    将上述文库进行双端测序,以biotin为分隔成一组read pairs(read1、read2)分别比对到基因组两个位置 A、B

位置A、B即是染色体上的一段区域。单位长度即为bin 或者说resolution
bin越短 可匹配的越精确,但同时匹配的reads 数就减少了;
bin越长 匹配到的就越宽泛,但能够匹配到更多的reads ;

  • 测序结果表明共有8.4M read pairs total。其中6.7 million corresponded to long-range contacts between segments greater than >20Kb apart.即六百万+的read pairs 相隔20KB长度以上,说明许多一维相距很远的bin,但空间距离很近。

2、genome-wide contact matrix M Heatmap

  • 目的:将上述测序比对结果可视化。
  • 矩阵格子:人染色体长度一般有100~200Mb,文献中用到的chr14长度为104M,bin设置为1Mb。
  • 横、纵轴为相同的染色体长度,以bin长度(1mb)为轴刻度单位。因此对应的contact matrix M就是104*104大小的矩阵。(如下图)


    2-1
  • Mij to be the number of ligation products between locusi and locus j (SOM).
    举例来说,假如M(2,8)=10就表示reads pairs分别匹配到染色体第2个bin与第8个bin的数目为10;再转换为对应热图相应的颜色等级。
  • This matrix reflects an ensemble average of the interactions present inthe original sample of cells;
  • It can be visually represented as a heatmap, with intensity indicating contact frequency.
    2-2

如上讨论的情况是pairs 的read1,read2均比对到同一条染色体的情况,称为Cis interaction
。而Trans interaction就是指read pairs分别比对到不同染色体的情况。

3、average intrachromosomal contact probability

  • 疑问:如何计算?(基于1D component?)
  • 概念:I n(s) for pairs of loci separated by a genomic distance s onchromosome n.
    指在染色体n上,平均相距长度为s(一维距离)的两个position contact probability
  • 结果,如下图:从上往下依次代表染色体1内部、染色体1与10、染色体与其余所有染色体平均、染色体1与21。
3-1
  • 结论
    (1)contact probability decreases monotonically on every chromosome;就是说一般距离近,contact probability(interaction)作用强
    (2)chromosome territories.即使一条染色体上相距很远(超过200mb),其contact probability也比两条染色体里的任意两个position 高得多


    3-2

4、compartment

4.1、observed contact matrix M Heatmap

就是我们在第二点讨论的内容


4-1

4.2、nomalization:observed/expected

  • 为了校正 sequence proximity strongly influences contact probability,将raw data进行标准化;
  • 标准化方法:dividing each entry in the contact matrix by the genome-wide average contact probability for loci at that genomic distance (上述第三点).
  • 结果如下:分为两大类,红色的大于1,蓝色的小于1
    The normalized matrix shows many large blocks of enriched and depleted interactions generating a ‘plaid’ pattern(格子图案)


    4-2

4.3、correlation matrix C

  • If two loci (here 1 Mb regions) are nearby in space, we reasoned that they will share neighbors and have correlated interaction profiles. (未太理解这句话)
  • 转换为相关矩阵correlation matrix C
    Cij is the Person correlation between the i row and j column of M which dramatically sharpened the plaid pattern(如下图)


    4-3
  • The plaid pattern suggests that each chromosome can be decomposed into two sets of loci(arbitrarily labeled A and B) such that contacts within each set are enriched and contacts between sets are depleted.
    即表示将染色体分为两个区域,区域内的bins interaction 明显高于 区域间的interacton

4.4、pca的第一pc

  • 对相关矩阵进行主成分分析,一般来说, the first principal component (PC) clearly corresponded to the plaid pattern (positive values defining one set, negative values the other)
  • The entries of the PC vector reflected the sharp transitions from compartment to compartment observed within the plaid heatmaps.


    4-4

4.5 compartment A B

  • The Hi-C data imply that regions tend be closer in space if they belong to the same
    compartment.
  • 但是如上G图以及文章其它证据表明 compartment A compartment A is more closely associated with open, accessible, actively transcribed chromatin. 相对来说compartment B closed chromatin domains ,相对来说表达不活跃。
4-5
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