通过欧几里得距离几何识别二倍体生物中的三维基因组组织
基因组学
2021-01-15 v1 度量几何
最优化与控制
摘要
细胞核中 DNA 的空间组织对基因调控、DNA 复制和基因组完整性起着重要作用。通过染色质构象捕获实验（如 3C、4C、Hi-C）的发展，现在可以在全基因组水平获得 DNA 的接触频率。在本文中，我们研究从此类全基因组接触频率重建基因组三维组织的问题。一种标准方法是将接触频率转换为含噪距离测量值，然后应用半定规划（SDP）公式获得三维构型。然而，此类重建中被忽视的事实是，大多数真核生物（包括人类）为二倍体，因此每个基因组位点含有两份拷贝。我们证明，在二倍体生物中，由接触频率导出的距离测量值无法辨识 DNA 的三维组织。事实上，即使在无噪声情形下也存在无穷多解。随后我们讨论各种额外的生物学相关且可实验测量的约束（包括相邻基因组位点间的距离和高阶相互作用），并证明在这些条件下具有可辨识性。此外，我们提供带这些附加约束计算 DNA 三维嵌入的 SDP 公式，并表明我们能从无噪声和含噪测量中以高精度恢复真实三维嵌入。最后，我们将算法应用于真实成对和高阶接触频率数据，并显示我们能恢复已知的基因组组织模式。
引用
@article{arxiv.2101.05336,
title = {Identifying 3D Genome Organization in Diploid Organisms via Euclidean Distance Geometry},
author = {Anastasiya Belyaeva and Kaie Kubjas and Lawrence J. Sun and Caroline Uhler},
journal= {arXiv preprint arXiv:2101.05336},
year = {2021}
}