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何愛彬研究組開發(fā)新一代單細(xì)胞itChIP技術(shù)解析早期胚胎細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制

2019年9月3日，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心何愛彬組在《Nature Cell Biology》在線發(fā)表了題為“Profiling chromatin state by single-cell itChIP-seq”的文章，報(bào)道了利用一種全新的普適性，易操作的單細(xì)胞ChIP-seq技術(shù)解析早期胚層和器官發(fā)育中細(xì)胞命運(yùn)的選擇決定機(jī)制，并將這一方法命名為itChIP（simultaneous indexing and tagmentation-based ChIP-seq）。該工作首次解析了小鼠胚胎干細(xì)胞退出全能性，向三個(gè)胚層分化過程中的表觀調(diào)控時(shí)空規(guī)律。同時(shí)，通過整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和單細(xì)胞ChIP-seq數(shù)據(jù)，研究者揭示了心臟干細(xì)胞向心肌和內(nèi)皮細(xì)胞分化過程中細(xì)胞類型特異性增強(qiáng)子對細(xì)胞命運(yùn)決定的調(diào)控機(jī)制。(原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41556-019-0383-5)。

多細(xì)胞生物體由具有相同基因組的不同細(xì)胞類型組成，在器官組織發(fā)育過程中，細(xì)胞狀態(tài)和細(xì)胞命運(yùn)決定的機(jī)制一直是領(lǐng)域普遍關(guān)心的問題。 無論在發(fā)育過程還是疾病狀態(tài)下，表觀遺傳因素（不改變DNA序列的情況下）在細(xì)胞命運(yùn)決定中起著指導(dǎo)性作用。細(xì)胞類型和功能異質(zhì)性往往通過調(diào)控基因表達(dá)來實(shí)現(xiàn)。目前研究多集中在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組水平，單細(xì)胞水平解析表觀調(diào)控機(jī)制也鮮有報(bào)道，而從單細(xì)胞、全基因組范圍研究組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄因子如何控制細(xì)胞譜系發(fā)生、命運(yùn)決定則尚屬空缺。

研究這一問題，需要在單細(xì)胞水平解析全基因組范圍內(nèi)DNA-蛋白質(zhì)的相互作用圖譜，染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP-seq）技術(shù)是捕獲蛋白質(zhì)-DNA相互作用的有效手段，然而目前單細(xì)胞ChIP-seq技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，極大限制了人們對細(xì)胞命運(yùn)特化的調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)。為了解決這一技術(shù)難題，何愛彬課題組利用Tn5轉(zhuǎn)座酶切割DNA，切割完的DNA直接帶上可供PCR擴(kuò)增的DNA序列。巧妙之處在于，研究人員用甲醛交聯(lián)樣品，然后在高溫下用SDS處理細(xì)胞，這樣能使全基因組染色體變得松散，同時(shí)不會(huì)影響蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合。在這種處理下，Tn5能均勻地切割染色體并提高抗體結(jié)合效率，而且不會(huì)產(chǎn)生對開放區(qū)域的偏好性。采用單細(xì)胞itChIP-seq技術(shù)，研究人員成功捕獲了100，500以及10,000個(gè)細(xì)胞多種組蛋白修飾以及DNA-結(jié)合蛋白在基因組的結(jié)合圖譜。通過單細(xì)胞itChIP對近2,000個(gè)上胚層樣細(xì)胞（epiblast-like cells, EpiLCs）的H3K27ac（標(biāo)記激活型增強(qiáng)子的組蛋白修飾）的信號進(jìn)行分析，研究者揭示在發(fā)育過程中，外胚層和內(nèi)胚層的命運(yùn)可能提前決定（尚未觀察到基因表達(dá)或者表型出現(xiàn)），而中胚層分化最后發(fā)生。為了進(jìn)一步證明單細(xì)胞itChIP適用于細(xì)胞數(shù)量很少的珍貴胚胎組織樣品，研究人員對胚胎期第7.75和第8.25的NKX2-5譜系的心臟細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行了單細(xì)胞的RNA-seq和單細(xì)胞H3K27ac itChIP實(shí)驗(yàn)。通過對這兩個(gè)不同維度的單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了在心臟干細(xì)胞向心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞兩個(gè)不同譜系分化過程中，增強(qiáng)子表現(xiàn)出譜系特異性的激活和關(guān)閉。雖然基因表達(dá)呈現(xiàn)出平滑的逐漸上調(diào)和下調(diào)（線性變化）的漸變趨勢，但是增強(qiáng)子卻表現(xiàn)出驟變式（指數(shù)級變化）的激活或者失活，這一現(xiàn)象說明增強(qiáng)子比其調(diào)控的基因表現(xiàn)出更強(qiáng)的時(shí)空特異性。因此，單細(xì)胞itChIP不僅適用于上千個(gè)單細(xì)胞的捕獲，同時(shí)也可用于捕獲起始量只有幾十個(gè)單細(xì)胞的樣品，這為研究稀少細(xì)胞樣品例如植入前胚胎等的表觀調(diào)控異質(zhì)性提供了新的技術(shù)手段。

北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所博士生艾珊珊和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生熊海清為論文共同第一作者，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。

單細(xì)胞itChIP-seq技術(shù)解析細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制