[論文レビュー] From Effective Interactions Extracted Using Hi-C Data to Chromosome Structures in Conventional and Inverted Nuclei

Sucheol Shin, Guang Shi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2023

Genomics and Chromatin Dynamics参考文献 76被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、統計的ポテンシャル（SP）を用いて、ハイコールド（Hi-C）データからパラメータフリーの方法で染色体領域間の有効相互作用エネルギーを直接抽出する手法を提案し、ヘテロクロマチンの引きつけがA/Bコンpartiment形成を駆動することを明らかにした。これらのSP由来のエネルギーを用いたポリマー・シミュレーションは、TAD や相分離を含む染色体組織を定量的に再現し、夜行性哺乳類のロッド光受容細胞に観察される逆転した核構造を予測する。これは、SP手法が物理的に根拠を持つ予測可能な染色体構造のフレームワークであることを検証するものである。

ABSTRACT

Contact probabilities between loci, separated by arbitrary genomic distance, for a number of cell types have been reported using genome-wide chromosome conformation capture (Hi-C) experiments. How to extract the effective interaction energies between active euchromatin (A) and inactive heterochromatin (B) directly from the experimental data, without an underlying polymer model, is unsolved. Here, we first calculate the pairwise effective interaction energies (A-A, B-B, or A-B) for interphase chromosomes based on Hi-C data by using the concept of Statistical Potential (SP), which assumes that the interaction energy between two loci is proportional to the logarithm of the frequency with which they interact. Polymer simulations, using the extracted interaction energy values $ extit{without any parameter}$, reproduce the segregation between A and B type loci (compartments), and the emergence of topologically associating domains (TADs), features that are prominent in the Hi-C data for interphase chromosomes. Remarkably, the values of the SP automatically satisfy the Flory-Huggins phase separation criterion for all the chromosomes, which explains the mechanism of compartment formation in interphase chromosomes. Strikingly, simulations using the SP that accounts for pericentromeric constitutive heterochromatin (C-type), show hierarchical structuring with the high density of C-type loci in the nuclear center, followed by localization of the B type loci, with euchromatin being confined to the nuclear periphery, which differs from the expected nuclear organization of interphase chromosomes, but is in accord with the imaging data of the inverted nuclei found in photoreceptor rods in nocturnal mammals. The proposed parameter free method and applications show that compartment formation in conventional and inverted nuclei is best explained by the inequality between the effective interaction energies.

研究の動機と目的

• ハイコールド（Hi-C）接触マップから、ポリマー・モデルのパラメータをフィッティングすることなく、染色体領域間の有効相互作用エネルギーを直接抽出するパラメータフリーの手法を開発すること。
• ハイコールド（Hi-C）データから導出された統計的ポテンシャル（SP）が、コンパートメントやTADといった重要な染色体特徴を、パラメータのフィッティングなしに再現できるかどうかを検証すること。
• 抽出されたSPが、Flory-Hugginsの相分離基準を満たすかどうかをテストし、A/Bコンパートメント形成を説明できるかを検証すること。
• 同じSP由来の相互作用が、夜行性哺乳類のロッド光受容細胞に観察される非伝統的な逆転核構造を予測できるかを調査すること。
• 異なるハイコールド（Hi-C）データの正規化手法に対して、SPの頑健性を検証すること。

提案手法

• 統計的ポテンシャル（SP）形式をハイコールド（Hi-C）接触頻度データに適用し、相互作用エネルギーを ΔG ∝ -kB T ln(P(r_ij)/Q(r_ij)) として定義する。ここで、P は観測された接触確率、Q は基準分布である。
• Rouse または自己回避鎖モデルに基づき、正規化および一次モーメントの制約から得られるパrameterを用いて、Redner-des Cloizeaux分布を基準 Q(r_ij) として使用する。
• 偏りのないよう、正規化されていない生のハイコールド（Hi-C）接触マトリクスから、A-A、B-B、A-B 相互作用の平均SP値を計算する。
• 抽出されたSP値を、追加のフィッティングなしに、Chromosome Copolymer Model（CCM）に基づくポリマー・シミュレーションの入力として使用する。
• SP値からFlory-Hugginsの相互作用パラメータ χ_FH を計算し、相分離の傾向を評価する。
• シミュレートされた3次元染色体構造を、実験的ハイコールド（Hi-C）データおよび画像解析データ（例：FISH）と比較して、予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイコールド（Hi-C）データから、ポリマー・モデルのパラメータをフィッティングすることなく、染色体領域間の有効相互作用エネルギーを直接抽出できるか？
• RQ2 抽出されたSP値が、Flory-Hugginsの相分離基準を満たしており、A/Bコンパートメント形成を説明できるか？
• RQ3 SP由来の相互作用を用いたポリマー・シミュレーションが、TAD やコンパートメンテーションといった実験的に観察された特徴を再現できるか？
• RQ4 SP由来の相互作用が、夜行性哺乳類のロッド光受容細胞に観察される逆転核構造を予測できるか？
• RQ5 異なるハイコールド（Hi-C）データの正規化手順に対して、SP値はどれほど頑健か？

主な発見

• A-B 相互作用の抽出されたSP値は、A-A や B-B と比べて顕著に負の値が大きく、ヘテロクロマチンの引きつけが強いことを示し、コンパートメント形成を駆動している。
• SPから計算されたFlory-Hugginsパラメータ χ_FH は 0 よりも大きい（χ_FH = 0.44 ± 0.13）ため、A 型と B 型クロマチン間の相分離が確認された。
• SP由来のエネルギーを用いたポリマー・シミュレーションは、ハイコールド（Hi-C）データで観察されたTAD やA/Bコンパートメンテーションを成功裏に再現した。
• シミュレーションは、C型ヘテロクロマチンが中心に、B型が中層に、A型が外周に配置された階層的核組織を予測し、夜行性哺乳類のロッド光受容細胞に観察される逆転核構造と一致した。
• 生のハイコールド（Hi-C）マトリクスと正規化されたマトリクスの両方でSP値が一貫しており、ε_BB と ε_AA に僅かな差異しか認めず、データ処理に対して頑健であることが確認された。
• SPベースの手法は、逆転核構造を成功裏に予測し、画像解析データとの物理的整合性を検証した。