Hi-C技术提供全基因组范围内不同区域间染色质DNA在空间位置上的相互作用，已经成为了探测基因组三维结构的常规方法。微生物基因组三维空间构象研究已经兴起，而微生物尤其是细菌基因组虽然简单，但也自有一套独特的三维结构特征，微生物特有的生命性状如致病性、易传播性、抗药性、抗逆性、代谢产物的积累以及生长发育特点等，与其基因组三维结构之间的联系，往往可以通过Hi-C技术分析特定时空或处理条件下的全基因组染色质序列的三维空间结构，结合CUT&Tag/ChIP-seq和RNA-seq等技术进行联合探讨，深度阐释微生物的性状特征。
小麦秆锈菌Pst在感染晚期诱导的着丝粒小RNA与基因组DNA甲基化有关
题目：The stem rust fungus Puccinia graminis f. sp. tritici induces centromeric small RNAs during late infection that are associated with genome-wide DNA methylation
物种：小麦秆锈菌，Puccinia striiformis f.sp.tritici(Pst)
研究单位：澳大利亚国立大学生物数据科学研究所等合作团队
组学方法：Hi-C（公开数据）+RNA-seq（公开数据）+sRNA测序+甲基化测序
研究背景：转座元件(TEs)的沉默对于维持基因组的稳定性至关重要。植物利用small RNA (sRNAs)将DNA甲基化导向TEs (RNA介导的DNA甲基化；RdDM)。真菌界中类似的表观遗传沉默机制仍然分辨不清。
研究总结：
双核真菌小麦锈菌(Puccinia graminis f. sp. tritici, Pgt)是引发小麦出现毁灭性秆锈病的病原菌。研究者利用sRNA测序和甲基化数据来深入了解Pgt的表观遗传学，首先使用Hi-C数据来定义Pgt着丝粒，发现它是高度重复的区域(~ 250kb)，在单倍型之间具有高度多样性，并且像植物一样，富集有年轻TE。与此同时，DNA胞嘧啶甲基化在着丝粒上特别活跃，但也与年轻TE在全基因组水平的插入控制有关。研究者下一步分析sRNA数据，发现超过90%的Pgt sRNA和一些RNAi基因在感染期间有差异表达。Pgt在感染过程中诱导功能多样化的RNA。也即，早期变化的RNA主要是带有5' 尿嘧啶的基因，晚期变化的sRNA则主要是带有5' 腺嘌呤的22nt的sRNA且受着丝粒区强烈诱导。结合甲基化数据分析的研究显示，无论是着丝粒内还是着丝粒外，与晚期变化RNA重叠的转座子更有可能被甲基化，而甲基化的转座子对附近的基因表现出沉默效应。
总之，锈菌利用的表观遗传沉默途径可能与植物中的RdDM有相似之处。Pgt RNAi机制和sRNA在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能在孢子生成过程中维持基因组的稳定性。
题目：Sir3 mediates long-range chromosome interactions in budding yeast
物种：酵母
组学方法：显微镜+Hi-C+ChIP+4C
研究单位：法国居里研究所和法国巴斯德研究院等合作团队
研究背景：遥远位点之间的物理接触有助于调节基因组功能。然而，人们对于稳定和维持这种相互作用的分子机制仍然知之甚少。
研究总结：
在出芽酵母中，32个端粒在指数增长的细胞聚集成3-5个焦点。这种聚集通过招募Sir2/3/4组成的沉默SIR复合物，在功能上与亚端粒区域异染色质的形成有关。本文利用酵母研究了异染色质位点之间保守的相互作用。
研究者利用表达不同Sir3等位基因的酵母菌株（野生型WT，缺失型ΔSir3，Sir3过表达Sir3 OE，点突变型过表达Sir3-A2Q OE），首先结合显微镜和Hi-C技术分析了解到端粒间与亚端粒间互作随着Sir3缺失而降低，Sir3影响着基因组结构。随后结合ChIP和4C分析，进一步说明Sir3的结合位点直接促进了包括rDNA、端粒和内部Sir3结合位点在内的远区域之间的长程相互作用。此外，还揭示了Sir3在促进rDNA压缩方面的一个新特性。最后，研究者使用合成方法证明，Sir3可以将属于不同染色体的目标位点结合在一起，而且这种现象不受其与已知伴侣(Rap1、Sir4)的相互作用、Sir2活性或染色体背景的影响。总之，这些数据表明Sir3充当了一个分子桥梁，稳定了远程相互作用。因此，该研究解构了沉默因子Sir3对酵母三维基因组折叠调节的影响，表明Sir3对于端粒聚集既是必要的，也是有所限制。
题目：Spatial rearrangement of the Streptomyces venezuelae linear chromosome during sporogenic development
物种：委内瑞拉链霉菌，Streptomyces venezuelae
组学方法：Hi-C+ChIP-seq+光学显微镜+扫描电镜
研究单位：弗罗茨瓦夫大学生物技术学院
研究背景：链霉菌属的细菌有一个线性染色体，有一个核心区域和两个“臂”。在复杂的生命周期中，这些细菌发展出多基因组菌丝，分化为携带单一基因组拷贝的胞外孢子链。细菌染色体在生长或发育阶段会发生染色体结构变化，孢子化相关的细胞分裂需要染色体分离和压缩，链霉菌在该过程的染色体构象则有待阐明。
研究总结：
链霉菌的染色体分离由ParA和ParB蛋白驱动，而类核压缩是由SMC结构蛋白和孢子形成特异性核相关蛋白（NAP）的协同作用诱导的，后者包括链霉菌的特异性HU家族蛋白HupS。
研究者利用Hi-C技术建立了线性细菌染色体的染色体互作图，发现链霉菌染色体构象在产孢过程中经历了广泛的重排。此外，通过将Hi-C、ChIP和荧光显微镜技术相结合，研究发现ParB、SMC和HupS对整体类核压缩的影响。因此，链霉菌的染色体臂在进入孢子形成时被空间分离，但在孢子形成细胞分裂过程中，它们与核心区域紧密对齐。臂的接近是由分离蛋白ParB和凝缩素SMC施加的。染色体末端区域被HupS建立成不同的结构域。表明在链霉菌的生命周期中有大量的染色体重构，染色体经历了从“开放”构象到“封闭”构象的重排。该研究进一步总结得到，由于链霉菌独特的发育生命周期，染色体复制和分离是在时空分开的，生命周期的特定阶段之间的过渡需要染色体重排，与真核细胞周期中染色体的规模和复杂性相似。
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参考文献：
[1] Sperschneider J, Jones A W, Nasim J, et al. The stem rust fungus Puccinia graminis f. sp. tritici induces centromeric small RNAs during late infection that are associated with genome-wide DNA methylation[J]. BMC biology, 2021, 19(1): 1-25.
[2] Ruault M, Scolari V F, Lazar-Stefanita L, et al. Sir3 mediates long-range chromosome interactions in budding yeast[J]. Genome research, 2021, 31(3): 411-425.
[3] Szafran M J, Małecki T, Strzałka A, et al. Spatial rearrangement of the Streptomyces venezuelae linear chromosome during sporogenic development[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 1-15.
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