《Cell》单细胞水平如何玩转哺乳动物基因组调控

最近一篇《Cell》文章以单细胞分辨率绘制了小鼠多组织染色质调控景观。

　　

DNA就像缠绕在一起的绳索，包装好的DNA被称为染色质，其内部组织影响基因在每个细胞中如何发挥作用。核小体是由DNA与组蛋白形成的染色质基本结构单位，实际上通过移动开启或关闭可阅读的遗传信息，核小体随时处于动态变化，这种状态被称为“染色质的可及性”。

在华盛顿大学的Jay Shendure（同时也在Howard Hughes医学研究所任职）和Cole Trapnell带领下，新研究从13只雄性小鼠的骨髓、大肠、心脏、肾脏、肝脏、肺、小肠、脾脏、睾丸、胸腺、全脑、小脑和前额叶皮层等多组织中采集了十万个单细胞，运用Jay Shendure课题组2015年开发的分离-池-分离（split-pool-split）单细胞ATAC-seq技术，检测出了85种特异性染色质的可及性状态，并且其中大部分都能与特定细胞类型相匹。

他们还编目了超过40万个潜在的调节元件，一般来说，研究人员根据相似的染色质景观就能鉴定一簇细胞，然后再检查这簇细胞中的不同细胞类型。

据研究人员讲解，数据的质量很大程度取决于组织类型。睾丸组织中的精母细胞数据质量最低，原因是在生殖细胞中，DNA的包装方式与其他细胞不同。

研究人员表示，单细胞染色质可及性地图是全球各地实验室都在为之努力的目标，其他研究人员正在编绘人类等其他物种的全面地图。目前，Shendure、Trapnell和他们的合作实验室已经完成了线虫和果蝇的相关地图。

“大多数常见疾病的遗传变异都位于基因组的非编码区，基因活动的调控起源于此，”Shendure说。“它们像一片无人之境，科学家们缺乏工具来确定它们到底在调节什么基因。我们的研究旨在找到不同类型细胞的调控规律。”

“以前的基于基因组的研究方法大多只研究了由许多细胞类型组成的组织和样本，然而，不同细胞类型导致的平均值是可以掩盖单细胞类型变化的，”Trapnell解释。“单细胞水平的细胞基因组研究大部分都是有关细胞中某些基因的表达是开启还是关闭的，而有关基因被激活、调高调低或沉默的原因却知之甚少。”

新研究重点识别基因组的哪些部分在不同细胞类型中是“开放的”，哪些基因受这些元素调节。研究人员，将结果数据与人类全基因组关联研究进行交叉，以寻找揭示疾病关联遗传变异。

尽管这项研究的数据来自小鼠，而不是人类，但这些细胞类型已被证明在许多常见的人类疾病和特征中兼容。

另外，8月2日的《Molecular Cell》还报道了课题组开发的用于解析RNA-seq数据的Cicero软件，其内部算法被命名为Roman orator，该算法有助于确定基因调控“语法”，将单细胞染色体可及性数据与DNA调控元件和其靶向基因统一起来。

该软件由Trapnell和Shendure实验室的研究生Hannah Pilner撰写，利用它科学家们确认了数千个调控元件如何影响发育肌肉细胞基因表达。

研究人员指出，过去需要强大劳动力才能实现的单细胞分析，如今只需几个月就能完成。

家鼠体内大约只有100亿个细胞（相当于人类细胞总数的0.02%），7500万年前，人类和老鼠从一个共同祖先走向不同分支。从那时起，遗传开始发生变化，老鼠可以为人类健康和疾病提供许多线索。这张小鼠细胞地图为遗传学家提供了有关哺乳动物如何演变进化的相关信息。

突破技术局限，第三代测序-单分子实时（SMRT）测序技术结合光学图谱挖掘基因组暗物质

原文检索：A Single-Cell Atlas of In Vivo Mammalian Chromatin Accessibility

（生物通：伍松）