3D百文--3D基因组中的TAD是否是跨物种保守的？

没想到所谓的TAD跨物种保守的证据是如此不足的，感觉有点拍脑袋和人云亦云的意思

不过后面还有几篇新的几篇文章针对这篇文章提出的问题做了点工作

A TAD Skeptic: Is 3D Genome Topology Conserved?

A TAD Skeptic: Is 3D Genome Topology Conserved? - PMC (nih.gov)

拓扑关联结构域(TAD)在物种间高度保守的观点在3D 基因组学领域非常流行。但是“高度保守”到底是什么意思，支持这一观点的实际比较数据是什么？为了解决这些问题，我们对相关文献进行了历史回顾，并回溯了许多引文，以揭示被用作广泛接受的结论——即TAD 在整个进化过程中高度保守的数据基础。对现有证据的彻底审查表明，答案可能比通常提出的更复杂。

支持TAD是跨物种保守的证据

间接证据

这些基本就是人云亦云，具体可以看文章

直接证据

• Dixon et al. 2012 [1] collected Hi-C data and inferred TADs in human and mouse.
  • 作者从小鼠 Hi-C 文库中获取了4.75亿个测序reads，但只有3.3亿个来自人类的reads。如果 TAD 边界在其他物种中有任何重叠，则被认为是保守的，在人类中发现了76% 的小鼠边界，但在小鼠中只发现了54% 的人类边界。如果考虑 TAD 边界的整个数据集，在人类和小鼠(而不是报道的单边重叠)中确定，约31% 的边界在两个物种之间共享。
  • 这些结果过去和现在都被解释为 TAD 保守性很强的证据。为了提供一些上下文，我们考虑了人和鼠中的其他功能注释。在人类和小鼠中，组蛋白修饰标记的基因座约有60-75% 重叠 ，两种物种中有一半至三分之二的候选调控区域是保守的。考虑到在这种情况下人类和小鼠中观察到的重叠 TAD 边界的比例，我们认为有证据表明存在一定程度的保守，但可以说，这不能被认为是足够有力的证据来支持跨物种的 TAD 的高度保守。
• 2014 [6]. The authors collected ~6.5 billion Hi-C sequencing reads from human but only ~1.4 billion reads from mouse.
  • 作者收集了约65亿个来自人类的 Hi-C 测序reads，但只有约14亿个来自小鼠的reads。reads深度的差异导致两种物种推断 TAD 的能力有显著差异，在人类中鉴定了9000多个domains，但在小鼠中仅发现约3000个domains。
  • 如果一个物种的域的中心在其他物种的注释域的50kb 以内(或者在小于100kb 的域的一半域大小以内) ，则作者认为整个域是保守的。
  • 最终，Rao 等人2014年报道，45% 的小鼠结构域(它们鉴定 TAD 的能力相当低)也存在于人体中。同样，这指向某种程度的守恒，但是很难根据这些数据强烈地得出 TAD 是高度守恒的结论。

不支持TAD是跨物种保守的观点

间接证据

• Berthelot et al. 2015 [54] identified genomic rearrangement breakpoints in the genomes of human, mouse, dog, cow, horse, and a genomic reconstruction of the Boreoeutherian last common ancestor.
  • 通过几次比较，作者没有发现 TAD 边界和断点强烈重叠的证据，表明 TAD 通常不会促成基因组重排的位置。
• Conversely, another similar study by Lazar et al. [49] observed strong overlap between TAD boundaries and genomic rearrangement breakpoints between the human and gibbon genomes.
  • 这两项研究都使用断点而不是 TAD 作为比较的基础，因此代表了解决 TAD 保守性的间接推论，使得很难从他们的结论中推广。
  • 这突出了我们的观点，即 TAD 高度保守的主张的数据基础并不是那么强大。

直接证据

灵长类的比较

• The notion that TADs may not be particularly conserved is also supported by another study, which directly inferred TADs in humans and chimpanzees [55].
  • 分析发现，这些物种之间只有约43% 的 TAD 是保守的，但是在许多不同的参数(例如分辨率，窗口大小，基因组组装)和不同的下游分析决策中，发现不超过78% 的结构域和83% 的 TAD 边界在人类和黑猩猩之间共享，比在这些物种中看到的其他功能调节表型的百分比低得多(图1)。

  • 正如研究指出的那样，在算法推断出的不同 TAD 时，对热交互图的肉眼观察有时表明存在保守性，进一步突出了 TAD 推断不准确这一更广泛的问题。

    
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人类和黑猩猩不同分子表型的保守性和差异性。数量性状(如基因表达和染色质修饰)中被归类为保守或分歧的特征的比例将取决于研究的力量(主要基于从每个物种采样的个体数量)。本图中的数据是基于对相似数量的个体进行抽样的研究，而不考虑所研究的表型(每个物种4-10个个体之间)。

植物领域

其他发现，特别是在植物中，也表明 TAD 位置可能不是跨物种保守的。

• 例如，Dong 等人2017[56]收集了来自玉米，番茄，高粱，谷子和水稻的 Hi-C 数据，发现这些物种的 TAD 保守相对较少。
• Xie et al。2019[21]评估了两种不同的芥菜植物——油菜和甘蓝的 TAD 保存情况，并报告了在这两种植物中都发现了大约25% 的 TAD。

非哺乳动物

值得注意的是，TAD 在植物、蠕虫、酵母和其他非哺乳动物物种中的存在是一个激烈争论的问题。虽然染色质构象捕获实验已经揭示了许多这些物种中的自我相互作用的 TAD 样结构，但是它们的特征和形成机制往往与哺乳动物 TAD 的特征和机制大不相同[19,57]。

• 在许多情况下，这些物种缺乏被认为对哺乳动物 TAD (例如 CTCF)形成至关重要的绝缘蛋白的同源物。这些差异可能使得很难将这些其他物种的TAD差异视为反对 TAD高度 保守的有力证据。
• 来自这些物种的更多样本和深度测序的 Hi-C 文库，以及对 TAD 样特征形成的可能机制的更多理解，将是彻底评估整个进化过程中 TAD 结构的保守性所必需的。

作者的立场

值得注意的是，我们并没有对 TAD 保守的概念采取“赞成”或“反对”的强硬立场。基于现有的证据，我们认为，目前还没有令人满意的答案来回答 TAD 高度保守这一问题。虽然某些研究的结果表明存在某种程度的跨物种保守，另外一些研究则表明TAD的保守程度实际上要更低。这一点，加上无效的研究设计和不统一的分析选择，进一步模糊了问题。虽然许多研究表明，TAD 是跨物种保守，只有稀少的数据支持或反驳这一主张。在我们看来，关于 TAD 是高度保守的这一常见且少受到质疑的观点没有坚实的数据基础。

影响我们评估 TAD 进化保守能力的最大因素之一是缺乏推断 TAD 或跨物种比较它们的黄金标准。正如其他人所指出的，TAD 是多种多样的，定义不明确，似乎在 Hi-C 数据中观察到的稳定的 TAD 代表了在数百万个细胞中平均出现的更多动态相互作用的统计特征58。

• 为数不多的直接比较物种间 TAD 的研究，在如何称呼这些特征为保守特征方面做出了一些武断的选择。在我们对 TAD 达成更精确的定义之前，我们应该集中在稳健的指标上来推断它们并评估它们的保守性，未来希望评估跨物种的3D 基因组保守性的研究应该尝试使用各种 TAD 算法和参数，以及新的种间 Hi-C 分析方法来强有力地评估3D 基因组保守性[59,60]。
• TAD 代表了3D 基因组结构的一个有趣的特征，其他特征(例如调节循环)的进化保守性甚至更不清楚。为了理解整体的调控动态，我们必须完善我们对 TAD 的理解，并就如何推断和比较它们跨物种和细胞类型达成一致。

Outstanding Questions

• What is the “ground truth” when it comes to TAD inference? Numerous inference algorithms have been proposed and applied, but which should be used widely, and why?

  当涉及到 TAD 推理时，“基本事实”是什么？许多推理算法已经被提出和应用，但哪些应该被广泛使用，为什么？

• Are TADs identified at different scales (megabase, sub-megabase, etc.) representative of similar structures formed by similar processes, or should they be considered different features entirely? Can the field arrive at a consensus definition for TADs, mathematical and/or biological?

  TAD 是否在不同尺度上(兆基、亚兆基等)代表了由相似过程形成的相似结构，或者应该认为它们具有完全不同的特征？该领域能否就 TAD、数学和/或生物学达成一致的定义？

• Are TADs defined based on bulk Hi-C data biologically meaningful to begin with? How might inferences made from millions of cells, be deconvoluted and reconciled with emerging evidence from single cells that TADs are dynamic structures?

  TAD 是否是基于批量 Hi-C 数据定义的，从一开始就具有生物学意义？从数以百万计的细胞中得出的推论如何解卷并与来自单个细胞的 TAD 是动态结构的新证据相一致？

• What is the order of events with respect to 3D genome structure and transcription? Does the formation of TADs dictate possible sets of gene regulatory interactions, or do independent regulatory interactions themselves give rise to TAD structures? If both are the case, can any predictive distinction be drawn between TADs that dictate transcriptional activity vs. TADs that emerge as a result of transcriptional activity?

  有关3D 基因组结构和转录的事件顺序是什么？TAD 的形成是否决定了可能的基因调控相互作用，或者独立的调控相互作用本身引起 TAD 结构？如果这两种情况都是如此，是否可以在指示转录活性的 TAD 与作为转录活性结果出现的 TAD 之间作出任何预测性区分？

• Are TADs largely shared across cell types within an organism, and does the extent of tissue sharing stratify by any particular facet of TADs? To what extent are differences in TADs across cell types also conserved across species?

  TAD 在生物体内的细胞类型之间是否大量共享，组织共享的程度是否按 TAD 的任何特定方面分层？不同细胞类型之间的 TAD 差异在多大程度上在不同物种之间也是保守的？

• What is the nature of TAD-like structures observed in non-mammalian species? How do these structures arise and what is their functional significance, particularly for species that lack homologs for insulator proteins implicated in TAD formation in mammals?

  在非哺乳动物物种中观察到的 TAD 样结构的性质是什么？这些结构是如何产生的，它们的功能意义是什么，特别是对于缺乏与哺乳动物 TAD 形成有关的绝缘蛋白同源物的物种？

• In the absence of a new unifying definition and inference method for TADs, what is the best method to compare them across development and evolution? For interspecies comparisons, how might we best model the process of TAD evolution in order to obtain a null model for neutrality against which to test conservation?

  在缺乏新的统一的 TAD 定义和推断方法的情况下，跨发展和演变比较它们的最佳方法是什么？对于种间比较，我们如何才能最好地模拟 TAD 进化的过程，以获得一个零中性模型，以检验保守性？