核仁是真核生物细胞核中最明显的细胞结构，蛋白质的“合成机器”——核糖体也在核仁中形成。近年来，许多研究证据表明核仁在染色质高级结构的形成和维持过程中也可能发挥关键作用。然而，核仁相关的染色质互作一直缺乏系统性的研究方法。

2023年1月21日，北京大学生命科学学院李程研究组在Nature Communications期刊发表题为“Mapping nucleolus-associated chromatin interactions using nucleolus Hi-C reveals pattern of heterochromatin interactions”的研究论文。该研究成功开发了能够富集捕获核仁相关染色质互作的新技术——核仁Hi-C（nHi-C），并通过nHi-C揭示了核仁相关染色质互作的特征与规律。

nHi-C将in situ Hi-C实验与核仁的提取分离相结合，即在细胞裂解后通过密度梯度离心提取核仁，实现了对核仁相关的染色质互作进行富集捕获（图1）。

图1 nHi-C实验原理示意图

为了验证nHi-C能够富集核仁相关染色质互作，研究者在HeLa细胞中分别进行了in situ Hi-C和nHi-C实验。通过将nHi-C和in situ Hi-C的结果进行比较（图2），并结合FISH成像验证（图3），证明了nHi-C捕获的互作更加富集分布于核仁周围的染色质区域。

图2 in situ Hi-C和nHi-C互作热图比较

图3 FISH成像结果图 （Locus 1为阴性对照； Locus 2-4为nHi-C相较于in situ Hi-C互作更加富集的区域； Nucleolin为核仁特异的指示蛋白）

相较于in situ Hi-C，nHi-C提供了核仁介导的染色体之间相互作用（trans interaction）的互作图谱（图4）。通过该图谱，研究者揭示了核仁相关trans互作的特征，即包含rDNA分布的染色体15，21，22与其他染色体频繁建立trans互作，并且靠近着丝粒的染色质区域是trans互作发生的热点区域（图5）。

图4 nHi-C与in situ Hi-C trans互作热图比较

图5 （左）不同染色体之间的trans互作水平；（右）核仁周围染色质区域（NADs）的trans互作水平和它们与着丝粒的距离相关

进一步，利用nHi-C实验数据，研究者确定了264个高置信度的核仁相关域（hNADs），在HeLa细胞中占整个基因组的24%。根据全局hNAD染色体间的相互作用和它们的表观遗传状态，hNAD可分为三组，显示出不同的顺式/反式相互作用模式、与着丝粒的距离、以及与核纤层相关域（LADs）的重叠百分比。此外，放线菌素D (ActD)处理抑制Pol I转录活性后，引起了核仁解体，并显著降低了hNAD信号强度和全基因组范围内A/B区室强度和TAD间互作的变化。

综上，该研究开发了nHi-C实验方法用于富集捕获核仁相关染色质互作，并通过nHi-C揭示了核仁相关染色质互作的特征与规律，支持了核仁作为重要核内细胞器组织异染色质高级结构的功能。北京大学生命科学学院李程研究员和军事科学院军事医学研究院李亭亭助理研究员（原李程组博士后）为该研究通讯作者。北京大学生命科学学院博士生彭婷、博士后侯英萍和孟浩巍为该研究共同第一作者。课题获得了北京大学孙育杰、军事医学研究院陈河兵、华中农业大学李国亮、北京协和医学院陈阳等老师的大力协助和宝贵建议。

李程研究组计划利用人工智能方法整合多组学数据，精准预测调控细胞命运可塑性的关键通路，欢迎联系交流职业发展机会（http://3d-genome.life/?page_id=781）。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36021-1