单细胞Micro-C技术揭示三维基因组中多增强子枢纽的高分辨率结构与调控机制

研究人员开发了单细胞Micro-C（scMicro-C）技术，突破传统三维基因组测序分辨率限制（5 kb），首次在单细胞水平解析了由黏连蛋白（cohesin）介导的"启动子-增强子条纹"（PES）结构，揭示了多增强子枢纽（multi-enhancer hubs）动态调控基因表达的分子机制，为理解增强子远程调控提供了新范式。

　　

在动物基因组中，增强子（enhancer）通过远程调控精确控制基因的时空表达模式，但增强子在细胞核内的三维空间组织机制仍是未解之谜。传统Hi-C技术受限于分辨率（>20 kb）和群体平均效应，难以捕捉单细胞水平的精细染色质结构。尤其当多个增强子共同调控同一基因时，这些调控元件如何在三维空间中协同工作？这个问题长期困扰着表观遗传学研究领域。

为解决这一难题，北京大学的研究团队在《Nature Genetics》发表了突破性成果。他们开发了单细胞Micro-C（scMicro-C）技术，将分辨率提升至5 kb，首次在单细胞尺度揭示了"启动子-增强子条纹"（promoter-enhancer stripes, PES）这一特殊三维结构，并发现多增强子形成空间枢纽协同调控靶基因的新机制。这项研究为理解增强子的远程调控提供了全新视角。

研究采用三项关键技术：1）改进的微球菌核酸酶（MNase）消化方案结合SDS处理提升连接效率；2）单细胞多重末端标记扩增（META）技术实现全基因组扩增；3）基于单核苷酸多态性（SNP）的单倍型解析算法Dip-C重构三维基因组。实验使用GM12878 B淋巴细胞系（724个高质量细胞）和小鼠胚胎干细胞（mESC）模型。

【Development of scMicro-C】
通过优化MNase消化程度（200-1,000 U滴定）和引入SDS处理，将连接效率提高8.1倍。改进后的scMicro-C在单细胞中平均检测83.5万次染色质接触，分辨率达5 kb，较传统Dip-C（20 kb）显著提升。

【scMicro-C resolves 3D genomes at kilobase resolution】
在724个GM12878细胞中，281个（38.8%）成功重构5 kb分辨率三维结构。单细胞距离矩阵与群体Micro-C接触频率高度相关（Pearson's r=-0.907），验证了数据可靠性。

【Characterization of promoter-enhancer stripe (PES)】
发现819个基因存在PES结构，表现为接触图中从启动子延伸的线性条纹。PES基因表达水平显著更高（P=9.88×10^-9），其基因体分布着多个H3K27ac标记的增强子。黏连蛋白亚基RAD21在PES启动子富集，而黏连蛋白卸载因子WAPL缺失会延长PES，证实其形成依赖黏连蛋白介导的环挤压（loop extrusion）。

【scMicro-C visualizes dynamic E-P interactions in PES genes】
以EBF1基因为例，其启动子通过PES与7个下游增强子（E1-E7）动态互作。单细胞接触图谱显示，约30%的细胞中启动子与单个增强子形成染色质环（3D距离<240 nm），呈现高度异质性。

【Multi-enhancer hubs observed in single-cell 3D genomes】
关键发现是：在EBF1和IRF2等PES基因中，多个增强子会形成空间簇（multi-enhancer hub），同时与启动子互作。随着枢纽中增强子数量增加，染色质半径回旋（radius of gyration）显著减小（P<0.05），表明三维结构更紧凑。

【Polymer simulations of PES genes】
聚合物模拟证实：当增强子具有60%的黏连蛋白捕获概率且E-P亲和力达0.8 k_BT时，能最佳重现实验观察的多增强子枢纽结构。

这项研究开创性地在单细胞水平解析了三维基因组的多增强子调控架构。提出的"环挤压-扫描"模型认为：黏连蛋白介导的环挤压使启动子能扫描下游基因组区域，而增强子与启动子间的分子亲和力（可能由转录因子凝聚体介导）稳定了多增强子枢纽的形成。该发现不仅解释了增强子协同工作的结构基础，还为疾病相关的增强子突变研究提供了新框架。技术层面，scMicro-C为单细胞三维基因组学设立了新标准，其方法论创新（如SDS处理提升连接效率）将推动相关领域发展。