三维 (3D) 基因组结构对于基因调控和细胞功能至关重要。基于染色体构象捕获（chromosome conformation capture）的高通量技术已被广泛用于研究全基因组染色体的物理相互作用。这些交互作用一般用二维热图 （heatmap）或装饰基因组特征的交互网络来实现可视化。此外，一些使用基于模型的交互数据的计算方法已经开发出来，例如约束物理模型（constrained physical models）、聚合物模型（polymer models）和基于群体的分析（population-based analysis），用来预测染色体的物理三维结构。大型数据联盟，例如 ENCODE、Roadmap 和 4D Nucleome，已经在众多细胞类型和组织中生成了数以万计的转录因子结合位点和表观遗传标记的全基因组数据集。生物学家希望直观地探索这些全基因组图谱和 3D 基因组结构之间的联系，这将有助于产生和检验各种科学假设。这些需求对传统的基因组浏览器提出了挑战，因为大多数基因组数据在一维线性基因组坐标中进行可视化。王艇课题组在2011年开发了华大表观基因组浏览器（WashU Epigenome Browser），作为一种交互式工具，用于在网络浏览器中探索基因组数据。经过十余年的加工，拓展和创新，华大表观基因组浏览器已成为基因组学研究的重要工具，和UCSC Genome Browser，Ensembl Genome Browser 并为行业标杆。WashU Browser 团队近期扩展了WashU Browser的功能，可以让研究人员在单个网页上直观地探索 1D、2D 和 3D 基因组数据。主要的创新是将线性基因组坐标关联到多分辨率的 染色体3D 模型上。

2022年7月21日，圣路易斯华盛顿大学遗传系王艇教授和李道丰教授团队在Nature Methods发表了题为Exploring genomic data coupled with 3D chromatin structures using the WashU Epigenome Browser的文章，介绍了基于WashU Epigenome Browser扩展的3D基因组可视化功能（Nat Methods | 马坚实验室开发用于多模态三维基因组数据可视化平台）。

WashU Browser团队开发了一个新的文件格式叫做g3d，并且提供了一个基于Python的工具g3dtools（https://github.com/lidaof/g3d）用来生成这种新格式的数据。这个二进制的格式主要的优点是对于网络请求十分友好，设计类似于UCSC的Bigwig格式，这个格式可以用于存储多个分辨率或多个细胞的3D数据。

秉承WashU Browser一贯关注易用性和实用性的传统，生成 的g3d文件可以放在网站上提供一个web URL给Browser或者直接从本地上传到Browser进行可视化。提交g3d文件后，Browser会打开一个新的面板（panel）用来展示3D结构，同时主面板的常规基因组浏览器可以用来与3D显示模块进行交互（如图1所示）。基因，Hi-C图的loop都可用在3D结构中进行标记高亮。数值型数据例如bigwig可以用来给3D结构调色，根据数据值的高低3D结构会呈现不同的颜色梯度。注释型数据例如chromHMM，compartment也可以将3D结构的不同区域调成相应的颜色。3D 模块使查看染色质环（chromatin loop）和拓扑相关域 （Topologically associated domains， TADs）变得直观。

WashU Browser团队从发表的文献中搜集了11045个3D模型，大多数模型都是从单细胞数据中研究得来。研究人员也可以上传自己的3D结构与已有数据进行比较。基因组技术和计算算法的最新进展为探测染色质相互作用和生成 3D 模型提供了前所未有的机会。这些模型不仅有助于研究 3D 基因组的形成和功能，而且还提供了不同的范例来显示基因组数据并与之交互。传统的基因组浏览器将基因组数据锚定在一维线性轴上，模拟解开和拉直基因组 DNA 的过程。这个过程使覆盖基因组数据变得方便和直接；然而它破坏了染色质的空间结构。研究人员通过将线性坐标关联3D 模型来维持基因组 DNA 的 3D 结构。该方法将线性基因组与 3D 空间位置，以及相应的可视化工具进行无缝整合。这使研究人员可以直观地探索 3D 特征，例如loop和 TADs; 在 3D 基因组坐标上可视化所有基因组数据；并探索 3D 基因组结构的动态性。

王艇教授是美国圣路易斯华盛顿大学遗传系Sanford and Karen Loewentheil Distinguished Professor of Medicine，同时也是计算机科学与工程的教授，兼任McDonnell Genome Institute的科研主任。王艇教授长期领导大型国际项目例如ENCODE，Roadmap，4DN，TaRGET以及当前最新的人类泛基因组计划（Human Pangenome Project）和IGVF（Impact of Genetics Variation on Function），funding多多。李道丰博士在王艇实验室经过博士后深造后晋升教授，长期主持WashU Browser 项目。Browser团队目前正在招人，欢迎感兴趣的老师和同学联系（http://wang.wustl.edu/）。

测试数据及快速指南：https://github.com/lidaof/eg-3d-demo

详细文档：https://eg.readthedocs.io/en/latest/3d.html

视频教程（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

原文链接：

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

制版人：十一  责编 | 兮  来源：BioArt

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