基于Hi-C及ChIA-PET技术的结核分枝杆菌复合群（MTBC）3D、4D基因组差异研究

Tuberculosis remains the most lethal infectious disease globally for now. Due to the spread of drug-resistant tuberculosis, the global situation of tuberculosis control is austere. As the primary pathogen causing tuberculosis, Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) members belonging to different lineages share more than 99% identity at the nucleotide level, however, they vary widely in pathogenic phenotype. A comprehensive analysis on their chromosome conformation (ie. three dimensional genome, 3D-genome) is of undoubtedly great significance to thoroughly uncover the essence of phenotype including pathogenicity, virulence, drug resistance and host adaption. Therefore, this proposal will access the chromosome interaction map between DNA elements and the three-dimensional model of 12 MTBC strains belonging to different lineages by using Hi-C and ChIA-PET. According to the published complete genomes and precision methylomes of these strains, the proposal will also investigate the effects of difference in genomic sequence and methylation pattern on their chromosome spatial structures, and explore the relativity between chromosome conformation and phenotypic expression. Furthermore, the temporal and spatial rearrangements of chromosome conformation (ie. four dimensional genome, 4D-genome) for the representative MTBC strains will be acquired by determining 3D genomes in different growth stages. Overall, this study will lay the foundations for better constructing multi-dimensional interaction network through multi-nomic analysis, and provide powerful theoretical support and a new resolution for clinical treatment and drug design on tuberculosis.

结核病目前仍为全球传染病第一杀手，并由于耐药结核流行等原因，使其全球防控形势更加严峻。结核分枝杆菌复合群（MTBC）是导致结核病的主要病原菌，其成员基因组序列相似性超过99%，但表型差异较大。全面解析MTBC染色体的空间结构（3D基因组），对于深入揭示其致病性、毒力、耐药等表型差异深层次根源极具意义。本项目拟利用Hi-C、ChIA-PET技术，构建12株不同谱系MTBC菌株染色体DNA元件三维结构图谱；结合本课题组已发表上述菌株比较基因组和甲基化组信息，研究MTBC基因组一维序列及甲基化修饰对其3D基因组的影响，探究MTBC的3D基因组与其表型特征之间的相关性；在上述基础上，绘制代表性MTBC菌株不同生长阶段多时空4D基因组动态变化图谱，探索其4D基因组变化规律。希望通过上述研究，为构建MTBC多维多组学空间作用网络图谱奠定基础，也为结核病的临床防治及药物设计的研究提供理论支持及新思路。

近两年COVID-19肆虐全球，使得结核病全球防控面临了新的挑战。2021全球结核年报显示，2020年的结核病的死亡人数较2019年增加10万，超过150万，这是自2005年来15年内首次出现增长。结核分枝杆菌复合群（MTBC）是导致结核病的主要病原菌，其成员基因组序列相似性超过99%，但表型差异较大。全面解析MTBC染色体的空间结构（3D基因组），对于深入揭示其致病性、毒力、耐药等表型差异深层次根源极具意义。本项目利用Hi-C等技术，构建了12株不同谱系MTBC菌株染色体DNA元件三维结构图谱，发现结核分枝杆菌染色体邻近位点之间的频繁互作，在互作矩阵中存在高强对角线。尤为值得一提的是，与大肠杆菌不同，结核的染色体3D基因组的互作矩阵中除了主对角线外，还存在于其垂直的次对角线，反映了结核分枝杆菌的复制叉的两DNA之间也存在相互作用。结合本课题组已发表上述菌株比较基因组和甲基化组信息，我们进一步探究了MTBC基因组一维序列及甲基化修饰对其3D基因组的影响，以及MTBC的3D基因组与其表型特征之间的相关性，发现不同谱系的MTBC存在不同的CID边界（染色体相互作用域），而CID边界处的基因表达不仅受到三维结构的调控，还受到表观组的调控。进而，我们选取了两株代表性菌株进行了不同生长阶段多时空4D基因组动态变化图谱，探索了4D基因组变化规律，发现两株结核分枝杆菌存在类似的4D基因组变化图谱：在基因组位点间的短距离上，平台期比对数期互作频率低，在长距离上，平台期比对数期互作频率高。我们的研究为构建MTBC多维多组学空间作用网络图谱奠定了基础，也为结核病的临床防治及药物设计的研究提供了理论支持及新思路。