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Nature Methods | 何愛彬研究組開發(fā)CoTECH實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞多維表觀重構(gòu)

細(xì)胞命運(yùn)或狀態(tài)由多維度染色質(zhì)修飾景圖及其調(diào)控基因表達(dá)譜決定。雖然各類組蛋白修飾、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合等表觀因子調(diào)控的機(jī)制與結(jié)果各異，卻協(xié)同決定了基因的選擇性表達(dá)。全局性的研究多維度的表觀因子相互作用有助于理解生命發(fā)育基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制和細(xì)胞命運(yùn)的決定，以及疾病發(fā)生過程基因表達(dá)異常的原因，為疾病的治療提供理論基礎(chǔ)。雖然目前已有多種能在單細(xì)胞水平上高精度解析單一表觀修飾的實(shí)驗(yàn)方法，但是用現(xiàn)有技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確地整合成高維度的全表觀組圖景。因此，開發(fā)新的高質(zhì)量、高通量且具有普適性的單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)對于深入研究上述科學(xué)問題至關(guān)重要。

2021年5月6日，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所，北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心研究員何愛彬研究組在《Nature Methods》雜志在線發(fā)表題為“Single-cell joint detection of chromatin occupancy and transcriptome enables higher-dimensional epigenomic reconstructions”的研究論文，報道了一種新型高通量和高質(zhì)量的名為CoTECH (combined assay of transcriptome and enriched chromatin binding)的單細(xì)胞雙組學(xué)技術(shù)，這個方法能夠同時在單個細(xì)胞中捕獲蛋白質(zhì)-染色質(zhì)互作和基因表達(dá)信息。

CoTECH方法是在何愛彬課題組早期開發(fā)的單細(xì)胞ChIP-seq方法CoBATCH1的基礎(chǔ)上，巧妙地結(jié)合了優(yōu)化后的單細(xì)胞RNA-seq技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在單個細(xì)胞中，同時捕獲特定的組蛋白修飾或者轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄組（圖1）。此外，由于該方法沿用了組合標(biāo)簽策略，使得CoTECH技術(shù)具有普適性，即不借助復(fù)雜儀器及不需要構(gòu)建轉(zhuǎn)基因模型的情況下高通量、高精度地獲得單細(xì)胞雙組學(xué)數(shù)據(jù)。

為了達(dá)到重構(gòu)高維度表觀組圖景的目的，作者利用CoTECH捕獲的雙組學(xué)數(shù)據(jù)，提出了新的分析框架和策略：在多批次實(shí)驗(yàn)（捕獲不同的組蛋白修飾）的數(shù)據(jù)中，利用各自的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對單細(xì)胞進(jìn)行分群，并將轉(zhuǎn)錄組非常相似的來自多個單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，獲得具有轉(zhuǎn)錄組以及多種組蛋白修飾信息的“pseudosingle cells”（圖2）。通過此方法，在整合多批次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)之后，研究者可以獲得擁有多種不同類型的組蛋白修飾、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合以及基因表達(dá)情況的“pseudosingle cell”數(shù)據(jù)。除此之外，利用此分析策略還可將CoTECH數(shù)據(jù)與其他類似的多組學(xué)數(shù)據(jù)，如解析轉(zhuǎn)錄組與染色質(zhì)可及性的sci-CAR2、SNARE-seq3等，解析轉(zhuǎn)錄組與DNA甲基化的scM&T-seq4等方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以達(dá)到重構(gòu)更高維度的單細(xì)胞表觀組全景。

圖1 高通量單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)CoTECH流程圖

圖2 CoTECH實(shí)現(xiàn)多種組蛋白修飾表觀重構(gòu)的分析策略

利用CoTECH技術(shù)，作者在小鼠胚胎干細(xì)胞中解析了二價染色質(zhì)區(qū)域（bivalent chromatin domain）與基因表達(dá)的聯(lián)系，結(jié)合“pseudosingle cells”策略解析隨擬時序發(fā)展中二價染色質(zhì)評分與H3K4me3 /H3K27me3及基因表達(dá)的動態(tài)關(guān)系。此外，作者還在利用coTECH解析小鼠胚胎兩波生血事件中細(xì)胞命運(yùn)決定的偏向。通過對小鼠胚胎主動脈-性腺-中腎（aorta-gonad-mesonephros,AGM）區(qū)域以及卵黃囊（yolk-sac）區(qū)域的內(nèi)皮細(xì)胞用coTECH同時捕獲轉(zhuǎn)錄組以及標(biāo)記激活型增強(qiáng)子的組蛋白H3K27ac修飾，識別出在這兩次生血過程的內(nèi)皮-生血細(xì)胞轉(zhuǎn)變（EHT）事件中，兩方增強(qiáng)子使用的偏好，從而一定程度解釋二者的細(xì)胞命運(yùn)產(chǎn)生差異的原因。

北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生熊海清、羅穎潔與北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所博士生王千昊為論文共同第一作者，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所，北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心何愛彬研究員為本文的通訊作者。該研究獲得了科技部干細(xì)胞專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委的和生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41592-021-01129-z

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