Nature Methods | 何愛彬研究組開發(fā)CoTECH實現(xiàn)單細(xì)胞多維表觀重構(gòu)
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細(xì)胞命運/狀態(tài)受多維度染色質(zhì)修飾與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合景圖調(diào)控。整合這些多維度輸入信號，決定了基因表達(dá)的時空特異性和細(xì)胞命運。全局性研究多維表觀信號之間的內(nèi)在調(diào)控聯(lián)系是解析細(xì)胞命運決定普適性機(jī)制的關(guān)鍵。雖然目前已有多種能單細(xì)胞水平上高精度解析單一表觀修飾的實驗方法，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。
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2021年5月6日，生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所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，并重構(gòu)單細(xì)胞多維表觀景圖。
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CoTECH方法是在何愛彬研究組早期開發(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)化的單細(xì)胞RNA-seq技術(shù)，實現(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CoTECH方法沿用了組合標(biāo)簽策略，使得CoTECH技術(shù)具有普適性，即不借助特殊儀器及不需要構(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)，即使在起始細(xì)胞數(shù)量有限（數(shù)千個單細(xì)胞）的情況下依然能獲得很高的數(shù)據(jù)質(zhì)量，能夠滿足大多數(shù)的研究需求。值得一提的是，與CoTECH技術(shù)相關(guān)的UCSD任兵團(tuán)隊報道的Paired-Tag方法，基于Split-pool和多輪連接，從幾百萬個細(xì)胞起始，從而實現(xiàn)單細(xì)胞組蛋白修飾與轉(zhuǎn)錄組檢測2。
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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：在多批次實驗（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，在整合多批次實驗的數(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)。
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圖1 高通量單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)CoTECH流程圖
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圖2 CoTECH實現(xiàn)多種組蛋白修飾表觀重構(gòu)的分析策略
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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)胞命運產(chǎn)生差異的原因。
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由于基因的轉(zhuǎn)錄與否往往是協(xié)同多種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、組蛋白修飾、DNA甲基化修飾、染色質(zhì)可及性、染色質(zhì)構(gòu)象等多個層面的調(diào)控因子共同決定，其中每個層面的因素對轉(zhuǎn)錄的激活/抑制作用貢獻(xiàn)各不相同，因此從多維度多角度重構(gòu)細(xì)胞的表觀基因組對我們?nèi)胬斫饣虮磉_(dá)調(diào)控的機(jī)制非常重要。利用“pseudosingle-cell”的分析策略可將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-CAR3、SNARE-seq4等，解析轉(zhuǎn)錄組與DNA甲基化的scM&T-seq5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)胞表觀組全景的目的，幫助研究者更全面地認(rèn)識與定義細(xì)胞狀態(tài)及細(xì)胞命運的決定。
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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，生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所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、國家自然科學(xué)基金委，生命科學(xué)聯(lián)合中心和勃林格殷格翰研究員獎項目的支持。
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原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41592-021-01129-z
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參考文獻(xiàn)：
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1 Wang, Q. et al. CoBATCH for High-Throughput Single-Cell Epigenomic Profiling. Mol Cell 76, 206-216 e207, doi:10.1016/j.molcel.2019.07.015 (2019).
2 Zhu, C. et al. Joint profiling of histone modifications and transcriptome in single cells from mouse brain. Nat Methods 18, 283-292, doi:10.1038/s41592-021-01060-3 (2021).
3 Cao, J. et al. Joint profiling of chromatin accessibility and gene expression in thousands of single cells. Science 361, 1380-1385, doi:10.1126/science.aau0730 (2018).
4 Chen, S., Lake, B. B. & Zhang, K. High-throughput sequencing of the transcriptome and chromatin accessibility in the same cell. Nat Biotechnol 37, 1452-1457, doi:10.1038/s41587-019-0290-0 (2019).
5 Angermueller, C. et al. Parallel single-cell sequencing links transcriptional and epigenetic heterogeneity. Nature Methods 13, 229-+, doi:10.1038/nmeth.3728 (2016).
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