单细胞多组学揭示细胞周期中mRNA代谢与染色质可及性的振荡动力学

本研究通过结合单细胞多组学测序、深度学习与生物物理建模，开发了FourierCycle方法，系统解析了小鼠胚胎干细胞(mESCs)中mRNA合成、剪接、核输出和降解的基因组尺度动态变化。研究发现转录和转录后调控呈现基因特异性波动，其中mRNA降解对细胞周期依赖性基因表达调控贡献更为显著。同时揭示了染色质可及性和转录因子结合足迹的动态变化，为理解增殖细胞中基因表达的时空调控提供了新视角。

　　

细胞周期是生命体生长、发育和组织稳态维持的核心过程，其精确调控涉及数千个周期依赖性基因的时序表达。尽管已知mRNA表达呈现周期性波动，但关于细胞周期各阶段mRNA代谢（包括转录、剪接、核输出和降解）的全基因组动态变化仍不清楚。传统同步化方法会干扰细胞正常生理状态，而静态单细胞测序技术难以捕捉动态过程。这些技术限制使得研究者无法全面理解细胞周期中基因表达的时空调控机制。

法国斯特拉斯堡分子与细胞生物学研究所(Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire, IGBMC)的Maulik K. Nariya和Nacho Molina团队在《Cell Reports》发表的研究中，将单细胞多组学测序与深度学习、生物物理建模相结合，开发了FourierCycle方法，首次系统描绘了细胞周期中mRNA代谢和染色质可及性的全基因组动态图谱。

研究人员采用的主要技术包括：1) 单核多组学测序(snRNA-seq和snATAC-seq)同时获取同一细胞的转录组和染色质可及性数据；2) 深度学习工具DeepCycle推断细胞周期连续相位θ；3) 建立包含傅里叶级数近似的生物物理模型FourierCycle，量化mRNA代谢各步骤的速率参数；4) 染色质状态分析和转录因子足迹预测揭示调控机制。

DeepCycle准确推断单细胞和单核的细胞周期进程

通过比较全细胞和细胞核的未剪接(u)与已剪接(s)mRNA读段分布，发现两者高度相关(r=0.86和0.78)。

显示DeepCycle成功将细胞和细胞核按其周期进程排序。总mRNA含量在细胞周期中呈现2倍变化，符合浓度恒定假设。周期标志基因Ccnb1的表达动态在核内与全细胞中高度一致。

动力学模型揭示细胞周期依赖的mRNA转录和降解速率

FourierCycle模型拟合2,762个振荡基因，发现92.5%的基因需要同时依赖细胞周期的转录和降解速率变化来解释其表达动态。典型基因如G1/S期调控因子Ccne2主要受转录调控，而M期抑制因子Wee1则主要通过mRNA降解调控。

显示降解速率变化幅度普遍大于转录速率，表明转录后调控在塑造mRNA积累动态中起主导作用。

细胞周期中转录和转录后调控的波动

研究发现46.5%基因在G1期达到峰值转录，21.8%在S期，31.7%在G2/M期。降解波则集中在G1(40.5%)和S期(35.8%)。功能分析显示G1期高转录基因参与基础代谢和G1/S转换，S期基因准备有丝分裂，G2/M期基因调控 mitosis。降解波则负责清除已完成功能的转录本，如G1期降解mitotic基因，S期降解DNA复制相关基因。

全基因组mRNA核输出速率估计

核输出半衰期平均为16分钟，51.4%基因在G2/M期达到峰值输出，可能与核膜解体有关。94.2%基因需要细胞周期依赖的核输出模型，表明核保留也受周期调控。

染色质可及性的动态变化

多组学分析显示CTCF结合位点、活性启动子在G1期最开放，增强子在S期，弱增强子在G2/M期。全局可及性在有丝分裂时下降，反映染色质浓缩。

展示了不同类型调控元件的周期性开放模式。

TF足迹动态揭示关键细胞周期调控因子

通过分析678个TF的结合位点可及性变化，发现已知周期调控因子如Tfcp2l1在G1-S期结合增加，Pml在G2-M期活性最高。

显示E2f1、Nfya等因子呈现相位特异性结合动态。

这项研究通过创新方法学整合，首次系统描绘了细胞周期中mRNA代谢的全动态图谱，揭示了转录和转录后调控的相位特异性波动规律。特别重要的是，研究发现mRNA降解等转录后调控对基因表达动态的贡献超过转录调控，这改变了以往对周期调控机制的认知。同时提供的染色质可及性和TF结合动态数据，为理解基因表达的时空调控提供了分子基础。FourierCycle框架可扩展到其他增殖系统，为发育生物学和疾病（如癌症）研究提供新工具。研究也存在一定局限，如未探讨分子机制，噪声模型可能不够精确等，这些为未来研究指明了方向。