单细胞研究指出了DNA甲基化在细胞命运决定中的作用

应用单细胞分析技术和细胞图谱资源比较的研究，使巴巴拉罕研究所的研究人员将观察到的由DNA甲基化过程中断引起的发育缺陷与对受影响细胞类型的了解联系起来。这项工作建立在之前与合作者进行的工作的基础上，他们建立了详细的细胞图谱，绘制了细胞在早期发育过程中的命运。这项工作为理解DNA甲基化在胚胎发生过程中的作用提供了重要的新知识，有助于破译控制不同细胞类型产生的规则。了解这些规则对于研究人员能够准确和安全地指导细胞命运，为再生医学生产与临床相关的细胞类型至关重要。

　　

   

   

图片:从DNMT敲除小鼠系到参考图谱的细胞映射(灰色)，野生型细胞用蓝色表示，敲除细胞用红色表示。    

来源:S Clark et al。

来自巴伯拉罕研究所Reik实验室的研究促进了我们对DNA甲基化在发育早期阶段所起作用的理解。这一领域的技术进步，提供了从单个细胞收集并行数据类型的能力，以及细胞图谱参考和综合数据集的存在，正在彻底改变我们对决定细胞命运的过程的了解。阐明不同细胞类型如何形成的规则在再生医学以及理解发育障碍和疾病方面都有应用。

当胚胎的组织和器官形成时，DNA甲基化的消除和重新引入对确立细胞的特性至关重要。在某些情况下，小鼠体内关键甲基化酶的缺失会导致严重的发育缺陷和胚胎死亡。尽管DNA甲基化在发育过程中的重要性，但人们对其实现的潜在机制知之甚少。这是由于研究人员以前收集的信息有限，无法理解发育过程中DNA甲基化通常过程的变化所产生的影响，局限于发育缺陷的分析、样本成像和有限的使用散装样本的全基因组分析。这些方法不足以解决不同细胞类型水平上的影响。

来自该研究所表观遗传学项目Reik实验室的研究人员使用关键甲基化酶被删除的小鼠，在器官发育开始(受精后第8.5天)时进行了单细胞基因表达分析。利用单细胞方法的力量，研究人员能够跟踪哪些类型的细胞受到了影响，就无法在小鼠胚胎中形成而言，提出了在整个有机体尺度上看到的影响背后的机制。

该研究使用了基因改造小鼠，其中删除了两组关键的甲基化酶:分别删除了引入并维持DNA甲基化的DNA甲基转移酶(DNMT 1、3a和3b)的敲除小鼠系，以及一个系统来研究所有三种引起去甲基化的TET酶(ten- 11易位(TET)甲基胞嘧啶双加氧酶1/2/3)联合删除的影响。

进行这项研究时，Reik实验室的高级研究员Stephen Clark博士说:“单细胞方法的使用确实为我们研究发育过程中DNA甲基化的机制提供了所需的分辨率。”我们能够建立的图像证实了DNA甲基化在这个发育时间点的抑制作用，首先，保持正确的DNA甲基化需要抑制过去和其他细胞类型的身份，其次，DNA甲基化需要从基因组的部分删除，以允许特定的细胞类型的形成。”

一种叫做单细胞RNA测序的技术被用来测量每只小鼠基因组中的基因表达。将这些表达谱与参考数据集进行比较，可以识别出胚胎的所有细胞类型。在这一步之后，甲基化扰动对细胞命运的影响可以通过比较敲除的胚胎(其中甲基化酶被删除)与同一发育阶段的野生型胚胎的组成来评估，以突出细胞类型比例的差异。

研究人员能够将发育第8.5天对细胞类型形成的影响联系起来，这些影响与观察到的表型相匹配，并分析可能与细胞命运承诺缺陷相关的细胞类型特异性基因表达变化。

Ricard Argelaguet博士是该研究所Reik实验室的前博士后研究员，也是这篇论文的共同第一作者，他评论道:“既能从整体的角度观察细胞类型和基因表达的变化，又能从粒度上观察细胞类型和基因表达的变化，这为我们提供了梳理DNA甲基化和去甲基化在这个特定时间点发育胚胎中的作用的能力，从而创造新的见解。”将这种方法应用到以后的时间点，以更多地了解DNA甲基化在发育过程中的作用，这将是同样有趣的。”

该研究已经创建了一个交互式数据平台，提供从Dnmt和Tet突变小鼠胚胎的单细胞水平的基因表达读数。

阿尔托斯剑桥科学研究所主任Wolf Reik教授领导了这项研究，同时也是巴伯拉汉姆研究所表观遗传学项目的小组负责人，他评论说:“这项研究为探索DNA甲基化和细胞命运建立之间的联系提供了丰富的资源。这项研究受益于已发表的数据集和参考图集，我们希望我们的工作反过来也能对发育和表观遗传学领域的其他研究人员有所帮助。”

文章标题

Single-cell multi-omics profiling links dynamic DNA methylation to cell fate decisions during mouse early organogenesis