Nat Commun |?王小滔團隊提出三維基因組數據標準化新方法Raichu，揭示此前被忽視的調控型染色質互作

在真核 生物 細胞 核 中，基因組并不是線性 存在的， 而是通過高度有序 的方式在三維空間中不斷折疊纏繞組織起來的 。大量研究表明，基因轉錄往往依賴遠距離增強子與啟動子在三維空間中的物理接觸，這類 “ 增強子 - 啟動子 ” 互作被認為是細胞類型特異性基因調控的核心機制之一 。

過去十余年， Hi-C 等三維基因組技術的出現，使研究者得以在全基因組尺度上系統描繪染色質的空間互作圖譜。借助這些數據，人們識別了染色質區室、拓撲 相關 結構域（ TAD ）以及大量染色質環（ chromatin loops ），三維基因組學也由此迅速發展，成為理解基因調控的重要基礎 之一 。然而，隨著研究不斷深入，一個 問題逐漸顯現出來 ：在發育、分化或外界刺激下， 基因轉錄 程序 有時 會發生顯著變化， 而 染色質 環 卻表現得相對 “ 穩定 ” ； 在另外一些情況下，盡管染色質互作發生了全局變化，基因轉錄程序卻并未發生 相應改變 。染色質三維結構的 動態變化與 基因 轉錄調控之間的關聯 ， 似乎并不如最初預期的那樣緊密 。

事實真的如此嗎？近日 ，復旦大學王小滔研究員團隊在 Nature Communications 發表研究論文

Boosting the detection of enhancer-promoter loops via normalization methods for chromatin interaction data

在當前主流的三維基因組 數據 分析流程中， ICE 、 KR 等矩陣平衡方法被廣泛用于 校正 GC 含量、序列可比對性（ mappability ）以及限制性 內切酶 酶切片段長度等 系統性偏差。這類方法在去除噪聲、突出染色體宏觀結構方面表現出色，也成功幫助研究者識別了大量由 CTCF 等結構蛋白介導的經典染色質環。然而，研究團隊注意到，這一標準化策略在無意中也可能系統性地削弱另一類信號：那些與基因轉錄調控密切相關 ， 但在 Hi-C 數據中本就相對較弱的 染色質 互作 。

在原始 Hi-C 數據中，這些互作往往清晰可見，并與 H3K27ac 、 RNA 聚合酶 II 等活躍調控標記高度重疊；但在經過矩陣平衡后，它們的信號強度顯著下降， 以至于 難以 被 現有染色質環識別算法捕捉到 。這意味著， 大量 真實存在卻并不 “ 強 ” 的調控型染色質互作 ， 可能在數據分析的最初階段就被系統性地忽略了。

針對這一問題，研究團隊提出了一種新的三維基因組數據標準化方法 —Raichu 。與傳統 基于矩陣平衡的 方法不同， Raichu 并不假設所有基因組位點在 Hi-C 數據中具有相同的可見性 （ Visibility ） 。在設計上， Raichu 將觀測到的染色質互作 信號 視為距離衰減背景、位點特異性偏差以及互作本身 特異 信號三者的疊加，并通過優化框架，在保留距離衰減這一三維基因組基本物理特性的同時，避免對真實但較弱的互作進行過度校正。

這一改變在實際數據中帶來了非常直觀的效果。 在多套高質量 Hi-C 、 Micro-C 以及 Region Capture Micro-C 數據中， Raichu 識別到的染色質環數量均接近或超過傳統方法的兩倍，且幾乎完整保留了傳統方法已識別的染色質環 。

這些新增的 染色質環 并非隨機噪聲。系統分析顯示，與傳統方法 識別的染色質環 相比， Raichu 新識別的染色質環顯著富集 于 “ 增強子 - 啟動子 ” 、 “ 增強子 - 增強子 ” 以及 “ 啟動子 - 啟動子 ” 等與轉錄調控密切相關的互作類型，其兩端高度重疊 H3K27ac 、 H3K4me3 以及多種轉錄因子結合位點。換言之， Raichu 所 識別的額外染色質環 ，正是此前最容易被忽視、卻在功能上最為關鍵的一類調控型染色質互作。

Raichu 的優勢在低測序深度數據中 同樣 明顯。即便在由極少量細胞合并得到 的 pseudo-bulk Hi-C 數據中， Raichu 依然能夠穩定識別出大量調控型染色質互作。這一特性使其在單細胞 Hi-C 及單細胞多組學場景下具有重要應用潛力，為解析細胞類型特異性的三維基因組調控提供了新的工具。

從更宏觀的角度來看，這項研究提示，過去十年中關于“染色質三維結構動態變化與轉錄調控關聯有限”的部分結論，可能并非完全源于生物學本身，而在一定程度上受到數據分析方法的影響。當標準化策略系統性地削弱了調控型互作信號時，三維基因組的動態調控潛力也隨之被低估。

在設計上， Raichu 與當前主流的三維基因組分析框架（如 基于 cooler 生態的 分析 工具 ）完全兼容 。 使用 Raichu 標準化后的數據， 下游 針對 區室、 TAD 以及 染色質環 的分析流程與 傳統方法 并無任何區別。這使得Raichu有望作為現有矩陣平衡方法的直接替代方案，從數據分析的源頭出發，重新增強人們對三維基因組動態變化及其與基因轉錄調控關系的認識。

該論文第一作者和通訊作者為復旦大學生殖與發育研究院王小滔，研究工作中亦有多位相關研究人員參與。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69082-z

制版人： 十一

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