组织近单细胞分辨率的DNA甲基化组与转录组空间共谱技术揭示哺乳动物发育调控新机制

研究人员开发了空间DNA甲基化-转录组共谱技术（spatial-DMT），实现了组织切片中全基因组DNA甲基化与转录组的近单细胞分辨率空间共谱分析。该技术应用于小鼠胚胎和大脑研究，揭示了DNA甲基化与基因表达的空间互作规律，为理解发育调控和疾病机制提供了新工具。

　　

在生命科学领域，理解基因表达如何被精确调控一直是核心问题。DNA甲基化作为最重要的表观遗传修饰之一，在细胞命运决定和组织发育中起关键作用。然而，传统单细胞测序技术需要解离组织，丢失了空间信息；而现有空间组学技术又无法检测DNA甲基化这一关键表观遗传层。这种技术空白严重限制了对组织发育和疾病机制的理解。

为突破这一瓶颈，研究人员开发了革命性的空间DNA甲基化-转录组共谱技术（spatial-DMT）。这项发表在《Nature》的研究，通过微流控原位条形码、胞嘧啶脱氨转化和高通量测序的创新组合，首次实现了组织原位DNA甲基化与转录组的同步空间分析。研究使用E11/E13小鼠胚胎和P21小鼠大脑为模型，样本来源于C57BL/6小鼠的冷冻切片。

【Spatial-DMT设计和工作流程】

研究团队设计了独特的实验流程：通过盐酸处理破坏核小体结构，Tn5转座酶插入接头，微流控芯片实现空间条形码标记，再通过链霉亲和素磁珠分离cDNA和gDNA。DNA甲基化检测采用酶促甲基化测序（EM-seq）替代传统亚硫酸氢盐转化，减少DNA损伤。该技术达到10μm分辨率，每个像素平均覆盖136，639-281，447个CpG位点，数据质量与单细胞甲基化测序相当。

【小鼠胚胎的空间共谱分析】

整合DNA甲基化变异区（VMR）和转录组数据的加权最近邻（WNN）分析，成功区分了颅面部（W0）、脑脊髓（W2）和心脏（W6）等11个胚胎结构。研究发现Ank3等基因呈现甲基化-表达正相关，而多数基因呈负相关。10μm分辨率图谱精确定位了端脑祖细胞（W11）与GABA能中间神经元（W7）的空间分布，与Allen小鼠脑图谱高度一致。

【甲基化和转录动态】

通过E11-E13胚胎整合分析，揭示了少突胶质细胞分化过程中Pdgfra（去甲基化伴随表达下调）和Nrg3（去甲基化伴随表达上调）的差异化调控。发育时间梯度分析发现E13阶段神经元特异性基因（如Usp9x、Shank2）启动子去甲基化与表达上调相关，同时DNA甲基化酶（Dnmt3a）和去甲基化酶（Tet1）表达增加。

【小鼠大脑mCH-mCG-RNA共定位】

在P21大脑中，空间DMT首次绘制了非CpG甲基化（mCA）的空间图谱。海马区mCA水平显著低于皮层，Prox1等基因受mCG和mCA双重调控，而Ntrk3仅与mCG相关。细胞类型反卷积显示皮层兴奋性神经元呈现典型的层状分布（TEGLU7在2/3层，TEGLU4在5层），与单细胞参考数据集高度吻合。

【解析区域表观遗传变异】

比较脑室区（高增殖）和套层区（分化中）的甲基化差异，发现神经祖细胞特异性增强子（如含FOXO4、NEUROG2结合位点）的低甲基化特征。部分甲基化域（PMD）分析显示心脏区域PMD甲基化水平梯度变化，反映心肌细胞增殖动态。

这项研究突破了空间表观遗传学的技术瓶颈，首次实现DNA甲基化的原位空间解析。其创新性体现在三方面：技术上开发了不依赖亚硫酸盐转化的温和检测方法；生物学上揭示了mCG/mCA的区室特异性调控规律；方法学上证明多组学整合可提升细胞状态分辨力。该技术为发育生物学、神经科学和肿瘤研究提供了强大工具，未来可拓展到临床FFPE样本分析，推动精准医学发展。