基于深度测序和Hi-C方法对染色体层次上基因表达调控机制的研究

The functional study of chromosome interactomes is the keystone of gene function research.The previous studies show that large-scale chromosome structure and nucleus space rearrangement are associated with the governing of gene expression, DNA replication and repair. But how the change of chromosome spatial structure regulates gene expression in prokaryote is still unknown. New methodology and applications need to be developed to reveal the regulatory mechanism of gene expression. This proposal will focus on the above scientific problems; choose E. coli as the investigating target; construct expression profiles of E. coli in different growth stages by RNA-Seq method; identify the key regulated genes that adapt to the environmental changes; access the chromosome interaction map by using chromosome conformation capture coupled with deep sequencing method (Hi-C); investigate the chromosome structure variation in different growth process; and find out how chromosome structure variation effects gene expression in different growth process through association analysis. The ultimate objective is to establish a model to capture the prokaryotic chromosome structure and analyze their transcriptomics data, which could elucidate the molecular mechanism of gene expression regulation on chromosome spatial structure level and provide new thought for comprehensive analysis of prokaryotic gene expression regulation.

细胞内互作染色质组的功能研究一直是基因功能研究的重点，已有研究表明大规模染色体结构和核空间重排与控制基因表达、DNA复制和修复具有关联性。但关于原核生物染色体空间结构变化如何对基因表达进程进行调控有待于深入的理解和研究, 因此亟需发展和应用新方法揭示其调控机制。围绕上述科学问题，本项目拟以大肠杆菌作为研究对象，通过RNA-Seq方法获得大肠杆菌不同生长时期的表达谱, 界定其适应环境变化的关键调控基因，再结合Hi-C方法构建其染色体相互作用图谱, 研究在生长过程中染色体结构变化规律，并通过关联分析发现在大肠杆菌生长过程中染色体结构变化对基因表达的影响。最终目的是建立一套原核生物染色体结构捕获和转录组数据分析模型，从染色体结构层面上阐明基因表达调控机制，为全面解析原核生物基因表达调控提供新的思路。

本项目自主研发了原核生物泛基因组深度分析和可视化软件PGAP-X、泛基因组在线分析平台PGAweb和基于保守性结构核心框架的基因组组装流程GAAP，软件功能主要涵盖基因组结构比对和保守性分析、物种演化和可视化分析等，为原核生物泛基因组学研究提供有益的分析工具和平台。利用泛基因组学分析软件开展了大肠杆菌的基因组结构保守性研究，基于19株大肠杆菌的泛基因组分析表明其基因组在一维结构上具有保守性的基因组核心框架，泛基因组中核心基因集可以分为结构保守性核心基因和结构非保守性核心基因，位于保守性核心框架的基因相对于其他核心基因具有更重要的调控功能，在相互作用网络中更趋于核心位置。通过RNA-Seq方法获得大肠杆菌对数期、稳定期和衰亡期的表达谱，对差异表达基因进行GO功能富集分析和KEGG代谢通路分析，发现稳定期相对于对数期，表达上调基因主要富集在细胞组分和分子功能中，这些基因功能主要与核糖体、核糖核蛋白复合体相关；衰亡期相对于对数期，表达上调基因主要富集在生物学过程分类中，包括细胞过程的负调节、大分子生物合成过程的负调节、生物合成过程的负调节、细胞代谢过程的负调节、氮化合物代谢过程的负调节等。KEGG代谢通路富集分析结果显示，对数期相对衰亡期上调基因主要富集在甘油磷脂代谢通路和生物膜形成通路，而稳定期相对对数期上调基因和衰亡期相对稳定期上调基因都主要富集在核糖体通路。最后通过Hi-C测序方法获得染色体相互作用图谱, 研究大肠杆菌在生长过程中染色体结构变化规律。初步分析结果显示大肠杆菌对数期的染色体互作强度高于稳定期，在对数期存在很多高频的区域互作，而在稳定期则多为低频区域互作。结果表明，在大肠杆菌不同生长时期，基因组结构的动态变化过程与基因调控、区间活跃与不活跃的转换密切相关。