[논문 리뷰] From Effective Interactions Extracted Using Hi-C Data to Chromosome Structures in Conventional and Inverted Nuclei

Sucheol Shin, Guang Shi외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 05.

Genomics and Chromatin Dynamics참고 문헌 76인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 통계적 위치(Statistical Potentials, SP)를 사용하여 히-와이-크로모좀 데이터에서 직접 효과적인 상호작용 에너지를 추출하는 매개변수 없는 방법을 제안하며, 이는 이질성의 상호작용이 A/B 복합체 형성의 원인임을 드러낸다. 이 SP로부터 유도된 에너지를 사용한 고분자 시뮬레이션은 TADs와 분-phase 분리와 같은 염색체 조직을 정량적으로 재현하며, 야행성 척추동물의 갈색 세포에서 관찰되는 역행 핵 구조를 예측하여 SP 방법론이 물리적으로 타당하고 예측 가능한 염색체 구조 프레임워크임을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 히-와이-크로모좀 접촉 맵에서 직접 매개변수 없는 방법으로 염색체 로쿠 간 효과적인 상호작용 에너지를 추출하는 데 목적이 있다.
• 히-와이-크로모좀 데이터에서 유도된 통계적 위치(SP)가 피팅 없이도 복합체와 TADs와 같은 주요 염색체 특징을 재현할 수 있는지 확인하는 데 목적이 있다.
• 추출된 SP가 A/B 복합체 형성에 설명할 수 있는 플로리-후긴스 분리 조건을 만족하는지 테스트하는 데 목적이 있다.
• 동일한 SP 유도 상호작용이 야행성 척추동물의 갈색 세포에서 관찰되는 비표준 핵 구조, 예를 들어 역행 핵을 예측할 수 있는지 조사하는 데 목적이 있다.
• 다양한 히-와이-크로모좀 데이터 정규화 방법에 대해 SP의 강인성을 검증하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 히-와이-크로모좀 접촉 빈도 데이터에 통계적 위치(SP) 형식을 적용하여 상호작용 에너지를 ΔG ∝ -kB T ln(P(r_ij)/Q(r_ij))로 정의한다. 여기서 P는 관측된 접촉 확률이고 Q는 기준 분포이다.
• 레드너-데스 클로아즈 분포를 기준 Q(r_ij)로 사용하며, Rouse 또는 자기방해 고분자 모델에 기반하고, 정규화 및 일차모멘트 제약 조건을 통해 파라미터를 유도한다.
• 균형 잡히지 않은 원시 히-와이-크로모좀 접촉 행렬에서 A-A, B-B, A-B 상호작용의 평균 SP 값을 계산하여 행렬 정규화에 의한 편향을 피한다.
• 추출된 SP 값을 기반으로 추가 피팅 없이 염색체 공중합체 모델(CCM)에 기반한 고분자 시뮬레이션에 입력한다.
• SP 값에서 플로리-후긴스 상호작용 계수 χ_FH를 계산하여 분리 경향성을 평가한다.
• 시뮬레이션된 3차원 염색체 구조를 실험적 히-와이-크로모좀 데이터 및 영상 데이터(예: FISH)와 비교하여 예측을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히-와이-크로모좀 데이터에서 고분자 모델의 피팅 없이도 염색체 로쿠 간 효과적인 상호작용 에너지를 직접 추출할 수 있는가?
• RQ2 추출된 SP 값이 A/B 복합체 형성에 설명할 수 있는 플로리-후긴스 기준을 만족하는가?
• RQ3 SP 기반 상호작용을 사용한 고분자 시뮬레이션은 TADs와 복합화와 같은 실험적으로 관측된 특징을 재현할 수 있는가?
• RQ4 SP 기반 상호작용은 야행성 척추동물의 갈색 세포에서 관찰되는 역행 핵 구조를 예측할 수 있는가?
• RQ5 다양한 히-와이-크로모좀 데이터 정규화 절차에 대해 SP 값은 얼마나 강인한가?

주요 결과

• A-B 상호작용에 대한 추출된 SP 값은 A-A 또는 B-B보다 현저히 더 음수이며, 이는 이질성의 상호작용이 복합체 형성의 원인임을 시사한다.
• SP에서 유도된 플로리-후긴스 계수 χ_FH는 0보다 크며(χ_FH = 0.44 ± 0.13) A와 B 염색체 유형 간의 분리가 확인된다.
• SP 기반 상호작용을 사용한 고분자 시뮬레이션은 히-와이-크로모좀 데이터에서 관측된 TADs와 A/B 복합체화를 성공적으로 재현한다.
• 시뮬레이션은 C형 이질성 염색체를 중심에, B형을 중간에, A형을 외곽에 두는 계층적인 핵 조직을 예측하며, 이는 야행성 척추동물의 갈색 세포에서 관찰되는 역행 핵과 일치한다.
• 원시 및 정규화된 히-와이-크로모좀 매트릭스 간에 SP 값은 일관되며, ε_BB와 ε_AA에서만 미미한 차이가 나타나 데이터 처리에 대한 강인성이 확인된다.
• SP 기반 방법은 성공적으로 역행 핵 구조를 예측하여 영상 데이터와의 물리적 일관성을 검증한다.