染色质的三维结构与基因调控和细胞功能有紧密的内在联系。基于染色体构象捕获技术（Chromosome Conformation Capture,3C）的实验显示,真核生物的染色体在三维结构上被划分为A/B区室（compartment）,且分别与常/异染色质相吻合。因此,A/B区室是与基因表达相关联的,同时也具有细胞特异性。传统的A/B区室是由对互作矩阵主成分分析（Principal Component Analysis,PCA）得到的第一个主成分所决定。然而,这种简单的将染色体一分为二的A/B区室划分方案难以完整和准确的表示染色质的功能。针对这一问题,本文以染色质区室化结构为对象,首先开发了一个新的染色质区室化分析工具MOSAIC（MOdularity-and Singular v Alue decomposition-based Identification of Compartments）,然后将其应用到不同细胞系上分析染色质结构与功能的关系。在第一项研究当中,本文首先对基于高通量染色体构象捕获技术（Highthroughput Chromosome Conformation Capture,Hi-C）得到的染色体内交互矩阵进行奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）,对得到的特征向量（Eigen Vector,EV）进行分析,发现根据模块度得分最高的EV1、EV2和染色质的结构与功能高度相关。在此基础上,MOSAIC利用EV1和EV2的信息对染色体进行了更准确和精细的区室划分。除了能识别与传统的A/B区室相对应的区室状态A1和B1,MOSAIC还识别了另外两种区室状态A2和B2,分别对应于具有低转录活性的染色质以及富集H3K27me3信号的被抑制转录的染色质。基于全基因组的分析显示区室状态A2和B2通常对应于长度为100-300 Kb的基因组区域,比传统A1和B1短很多,因此称其为微区室（micro-compartment）。尽管微区室只覆盖了约30%的基因组区域,但其在不同的细胞类型中具有高度的动态性。更重要的是,相对于A/B区室方案,区分微区室是对染色质结构和功能关系的准确描述。相较而言,现有的基于染色体间相互作用的亚区室（subcompartment）划分方案,更多反映的是不同亚区室在细胞核内的位置关系,因此在单条染色体的结构与功能上都不如MOSAIC描述的区室状态准确。在第二项研究当中,本文在多个细胞系上验证了MOSAIC解析染色质区室化结构的能力,发现研究的大多数细胞系的染色体能一致的划分成4个区室状态,仅在人结肠癌细胞HCT116的部分染色体上识别了5个区室状态。在两个相近细胞系GM12878和K562的比较中,相比A/B区室方案,MOSAIC能够发现更多的染色质在结构和功能上的联系。尤其是CD86、ILDR1和GATA2等细胞特异性基因的表达与区室状态展现出一致性,表明了染色质高级结构在疾病和转录调控背后发挥的重要作用。对于HCT116细胞系,MOSAIC在其部分染色体上识别了一个新的区室状态C,对应于H3K9me2和H2A.Z高度富集的异染色质。此外,基于MOSAIC工具的分析,本文首次发现了在敲除了黏连蛋白（cohesin）的HCT116细胞中出现了两种相反的染色质区室化强度变化:富集H3K9me2的染色质区室化会加强;富集H3K9me3的染色质区室化会减弱。因此,基于液-液相分离（Liquid–Liquid Phase Separation,LLPS）机制,对于该实验中引起染色质区室化变化的主要原因,本文提出可能由H3K9me2修饰水平的降低直接导致,而非主流观点认为的染色质环与区室化的竞争机制。本文中开发的MOSAIC是基于染色体内交互数据开发的多区室分析工具,其在单条染色体上能够识别多个功能特异的区室状态,是一种精确的染色质区室化描述。相对于A/B区室方案粗糙的将染色体一分为二,精确的区室化描述在细胞比较中可以发现更多染色质在结构与功能上的联系。此外,在敲除了黏连蛋白的HCT116细胞中,精确的区室化描述还能够完整捕捉不同区室状态在染色质区室化强度上发生的不同变化。因此,精确的区室化描述对于厘清染色质结构与功能的关系具有十分重要的意义。