三維?(3D)?基因組結(jié)構(gòu)對(duì)于基因調(diào)控和細(xì)胞功能至關(guān)重要。基于染色體構(gòu)象捕獲（chromosome conformation capture）的高通量技術(shù)已被廣泛用于研究全基因組染色體的物理相互作用。這些交互作用一般用二維熱圖?（heatmap）或裝飾基因組特征的交互網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化。此外，一些使用基于模型的交互數(shù)據(jù)的計(jì)算方法已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如約束物理模型（constrained physical models）、聚合物模型（polymer models）和基于群體的分析（population-based analysis），用來(lái)預(yù)測(cè)染色體的物理三維結(jié)構(gòu)。大型數(shù)據(jù)聯(lián)盟，例如 ENCODE、Roadmap 和 4D Nucleome，已經(jīng)在眾多細(xì)胞類(lèi)型和組織中生成了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)和表觀遺傳標(biāo)記的全基因組數(shù)據(jù)集。生物學(xué)家希望直觀地探索這些全基因組圖譜和 3D 基因組結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，這將有助于產(chǎn)生和檢驗(yàn)各種科學(xué)假設(shè)。這些需求對(duì)傳統(tǒng)的基因組瀏覽器提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)基因組數(shù)據(jù)在一維線性基因組坐標(biāo)中進(jìn)行可視化。王艇課題組在2011年開(kāi)發(fā)了華大表觀基因組瀏覽器（WashU Epigenome Browser），作為一種交互式工具，用于在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中探索基因組數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)十余年的加工，拓展和創(chuàng)新，華大表觀基因組瀏覽器已成為基因組學(xué)研究的重要工具，和UCSC Genome Browser，Ensembl Genome Browser 并為行業(yè)標(biāo)桿。WashU Browser 團(tuán)隊(duì)近期擴(kuò)展了WashU Browser的功能，可以讓研究人員在單個(gè)網(wǎng)頁(yè)上直觀地探索 1D、2D 和 3D 基因組數(shù)據(jù)。主要的創(chuàng)新是將線性基因組坐標(biāo)關(guān)聯(lián)到多分辨率的 染色體3D 模型上。

2022年7月21日，圣路易斯華盛頓大學(xué)遺傳系王艇教授和李道豐教授團(tuán)隊(duì)在Nature Methods發(fā)表了題為Exploring genomic data coupled with 3D chromatin structures using the WashU Epigenome Browser的文章，介紹了基于WashU Epigenome Browser擴(kuò)展的3D基因組可視化功能（Nat Methods | 馬堅(jiān)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)用于多模態(tài)三維基因組數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)）。

WashU Browser團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的文件格式叫做g3d，并且提供了一個(gè)基于Python的工具g3dtools（https://github.com/lidaof/g3d）用來(lái)生成這種新格式的數(shù)據(jù)。這個(gè)二進(jìn)制的格式主要的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求十分友好，設(shè)計(jì)類(lèi)似于UCSC的Bigwig格式，這個(gè)格式可以用于存儲(chǔ)多個(gè)分辨率或多個(gè)細(xì)胞的3D數(shù)據(jù)。

秉承WashU Browser一貫關(guān)注易用性和實(shí)用性的傳統(tǒng)，生成 的g3d文件可以放在網(wǎng)站上提供一個(gè)web URL給Browser或者直接從本地上傳到Browser進(jìn)行可視化。提交g3d文件后，Browser會(huì)打開(kāi)一個(gè)新的面板（panel）用來(lái)展示3D結(jié)構(gòu)，同時(shí)主面板的常規(guī)基因組瀏覽器可以用來(lái)與3D顯示模塊進(jìn)行交互（如圖1所示）。基因，Hi-C圖的loop都可用在3D結(jié)構(gòu)中進(jìn)行標(biāo)記高亮。數(shù)值型數(shù)據(jù)例如bigwig可以用來(lái)給3D結(jié)構(gòu)調(diào)色，根據(jù)數(shù)據(jù)值的高低3D結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色梯度。注釋型數(shù)據(jù)例如chromHMM，compartment也可以將3D結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域調(diào)成相應(yīng)的顏色。3D 模塊使查看染色質(zhì)環(huán)（chromatin loop）和拓?fù)湎嚓P(guān)域?（Topologically associated domains， TADs）變得直觀。

WashU Browser團(tuán)隊(duì)從發(fā)表的文獻(xiàn)中搜集了11045個(gè)3D模型，大多數(shù)模型都是從單細(xì)胞數(shù)據(jù)中研究得來(lái)。研究人員也可以上傳自己的3D結(jié)構(gòu)與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。基因組技術(shù)和計(jì)算算法的最新進(jìn)展為探測(cè)染色質(zhì)相互作用和生成 3D 模型提供了前所未有的機(jī)會(huì)。這些模型不僅有助于研究 3D 基因組的形成和功能，而且還提供了不同的范例來(lái)顯示基因組數(shù)據(jù)并與之交互。傳統(tǒng)的基因組瀏覽器將基因組數(shù)據(jù)錨定在一維線性軸上，模擬解開(kāi)和拉直基因組 DNA 的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程使覆蓋基因組數(shù)據(jù)變得方便和直接；然而它破壞了染色質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。研究人員通過(guò)將線性坐標(biāo)關(guān)聯(lián)3D 模型來(lái)維持基因組 DNA 的 3D 結(jié)構(gòu)。該方法將線性基因組與 3D 空間位置，以及相應(yīng)的可視化工具進(jìn)行無(wú)縫整合。這使研究人員可以直觀地探索 3D 特征，例如loop和 TADs; 在 3D 基因組坐標(biāo)上可視化所有基因組數(shù)據(jù)；并探索 3D 基因組結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性。

王艇教授是美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)遺傳系Sanford and Karen Loewentheil Distinguished Professor of Medicine，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程的教授，兼任McDonnell Genome Institute的科研主任。王艇教授長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)大型國(guó)際項(xiàng)目例如ENCODE，Roadmap，4DN，TaRGET以及當(dāng)前最新的人類(lèi)泛基因組計(jì)劃（Human Pangenome Project）和IGVF（Impact of Genetics Variation on Function），funding多多。李道豐博士在王艇實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)博士后深造后晉升教授，長(zhǎng)期主持WashU Browser 項(xiàng)目。Browser團(tuán)隊(duì)目前正在招人，歡迎感興趣的老師和同學(xué)聯(lián)系（http://wang.wustl.edu/）。

測(cè)試數(shù)據(jù)及快速指南：https://github.com/lidaof/eg-3d-demo

詳細(xì)文檔：https://eg.readthedocs.io/en/latest/3d.html

視頻教程（B站）：https://www.bilibili.com/medialist/play/438038855?from=space&business=space_series&business_id=608067&desc=1&spm_id_from=333.999.0.0

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41592-022-01550-y

制版人：十一? 責(zé)編 | 兮? 來(lái)源：BioArt

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Nat Methods | 王艇/李道丰实验室扩展WashU Epigenome Browser的3D基因组可视化功能的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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