基于“染色体构型捕捉——高通量测序”的哺乳动物全基因组单倍型构建

Haplotype is a type of single nucleotide polymorphisms (SNPs) within chromatids, which have statistical association. The information about the combination of these alleles, which are located on multiple loci and inherited together, has significant value in genomics research and related downstream application，especially in the research of multiple gene correlations and quantitative traits. Since 2002, human haplotype project has been conducted successfully, which led to many important scientific breakthroughs and incalculable industry promotion. Therefore, we believe that the construction of haplotype pattern in genome level will attract increasing attention in the post-genomic era. Base on the combination of “chromosome conformation capture” and “high-throughput sequencing” (Hi-C) technologies, via obtaining the information of three-dimensional folding structures and long-distance regulation of chromosome, this work aims at constructing haplotype pattern efficiently in mammalian genomes. We choose domesticated pigs, which are important farm animals and ideal medical animal models, as the subject investigated and hope to explore and improve the experiment and information analysis procedures for Hi-C. This project will hopefully achieve to mine haplotype molecular markers definitely in individual genome and provide important method and technology references for mammalian haplotyping. Moreover, this project has important theoretical value and has great influence in correlated fields.

单倍型是存在于染色单体内具有统计学关联性的一类单核苷酸多态性（SNPs），这些进行共同遗传的多个基因座上等位基因的组合信息对基因组学研究及其相关下游应用，特别是对于多基因关联的复杂和数量性状研究具有重要价值。2002至今，人类单倍型计划顺利实施带来的科学突破和难以估计的产业推动，我们有理由相信基因组水平的单倍型构建将逐渐成为后基因组时代的研究热点。本项目以“染色体构型捕捉”结合“高通量测序”（Hi-C）为技术基础，在获得染色体三维结构的折叠和长距离调控信息基础上，以实现高效构建哺乳动物单倍型为目标，选择重要的农业动物和理想的医学模型——家猪为研究对象，旨在探索和完善一套基于Hi-C技术的实验及信息分析流程。本项目有望实现精准迅速地挖掘个体基因组的单倍型分子标记，为哺乳动物单倍型分型提供重要的技术和方法参考，具有重要的学术价值并有望在相关领域产生重要影响。

单倍型研究可定位人类疾病相关SNP，寻找特异性表达基因，明确特异性表达的等位基因的上游调控元件的序列变异影响转录、染色质状态的分子机理。在农业动物研究领域，高质量的基因组单倍型将为畜禽遗传育种资源的进一步发掘利用和分子育种提供新的参考依据。常规的单倍型分析技术很难获得高完整度和高分辨率的单倍型参考基因组。利用染色质构象捕获的高通量测序技术（即Hi-C技术）所产生的全基因组染色质交互数据，能够很好地解决单倍型组装不能跨过着丝粒的问题，从而获得全基因组完整的单倍型。本项目以表型差异较大的欧亚猪种为研究对象，构建了以大白猪为代表的欧洲猪种的耳皮肤成纤维细胞系和脂肪细胞系、以荣昌猪为代表的中国地方猪种的胚胎成纤维细胞系和野猪的耳皮肤成纤维细胞系，并用该4种细胞系进行了Hi-C实验流程的开发，成功掌握了适用于细胞的Hi-C实验流程。并在此基础上进行了针对组织的Hi-C实验流程的开发，获得了上述4种细胞以及猪脂肪和肝脏组织的可靠Hi-C数据。同时，我们利用4种细胞的高质量Hi-C数据进行了Hi-C数据基本分析流程和单倍型分析流程的开发，成功搭建了完善的哺乳动物Hi-C数据分析和单倍型构建的生物信息学平台。基于该平台，本项目获得了上述3个猪种的4种细胞保守的全基因组互作图谱，并发现了猪的不同品种和细胞类型之间相似的染色质互作模式。此外，本项目成功构建了大白猪、荣昌猪和野猪的全基因组单倍型图谱，其中，野猪单倍型的完整度和分辨率分别高达99%和81%。本项目研究成果为后期利用Hi-C实验技术和数据构建哺乳动物单倍型提供了实验和分析技术基础，构建的3个品种猪单倍型为猪生长发育和重要经济形状相关的分子机制研究及分子育种提供了借鉴材料。