探寻细胞状态与功能背后的“为什么”：10x GEM-X Epi Multiome多组学方案全面解析

GEM-X Epi Multiome

GEM-X Epi Multiome（原名为Chromium Single Cell ATAC + Gene Expression）能够从同一细胞核中同时获得染色质可及性和基因表达的双重读数，揭示表观遗传调控如何影响细胞身份和功能。本文将为您介绍这一实验方法的优势、Epi Multiome检测方案的基本工作原理、GEM-X技术带来的实验和成本效率提升，以及如何快速上手。

探寻细胞状态与功能背后的"为什么"

您心中可能始终萦绕着一个问题。凭借转录组数据，您已经能够描述出不同的细胞状态，但仍然缺少“为什么”的答案——而这恰恰是转录组数据本身无法回答的。

• 为什么源自同一原发肿瘤的转移病灶会激活完全不同的基因程序，并对治疗产生不同的反应？

• 为什么某些神经元和胶质细胞群体对神经退行性疾病格外易感，而另一些却能够免受影响？

• 为什么T细胞免疫力——例如对病原体的应答能力或分化潜能——会随着衰老而减弱？

如果不深入理解基因表达背后的这层生物学机制，这些问题就无法得到完整的解答。

表观遗传调控——它就像是控制DNA这套“硬件”的“软件”；这套程序决定着哪些特定基因被表达、哪些被沉默，并会根据环境信号、细胞间相互作用或细胞内信号，不断重写自己的指令（图1）。

它可以表现为阻断转录机器的DNA甲基化位点，也可以是让DNA紧密缠绕、阻止特定区域被转录的组蛋白。这些表观遗传特征等因素，共同构成了一部动态的“规则手册”，控制着基因表达，进而决定每个细胞的状态和功能。

图1. 如果DNA是硬件，表观遗传就是软件。

如果您心中对细胞身份也有类似的疑问——为什么您研究系统中的某种细胞状态会表现出这样的行为——那么，一个能够呈现表观遗传调控的视角，或许正是填补这一空白的关键。

为什么需要同一细胞的多组学分析

您希望更深入地了解自己的细胞和样本。凭直觉，您就能理解多组学分析的价值——同时呈现多个生物学层面的信息。但您同样希望获得尽可能可靠的信息，以便基于准确的数据构建假设和结论。这正是为什么直接关联的多组学读数，比通过推断建立的关联更具优势。

举例来说，您可以通过推断的方式来研究表观遗传调控与基因表达之间的关系：分别开展单细胞RNA测序和ATAC测序实验，再通过计算方法整合这两套数据集。但这种做法可能引入一些误差：

• 不同数据模态间细胞类型匹配错位，尤其是稀有或过渡态细胞

• 染色质与基因表达之间的关联被错误归因（染色质可及性并不总能预测基因表达，甚至可能先于表达发生）

• 单细胞分辨率的丧失，因为数据在比较时会被平均到细胞群水平

而在GEM-X Epi Multiome实验中，染色质可及性图谱和转录组数据均来自同一个细胞核。这意味着您可以直接提出这样的问题：“在这个特定的细胞中，这个峰是否处于开放状态，附近的基因是否确实正在表达？”这种关联是被直接观察到的——它是单细胞水平上真正的“金标准”事实。

《GEM-X Epi Multiome 基金申请资源》

 

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如何从同一细胞核中同时检测染色质可及性和基因表达？

为了帮助您快速上手，我们将拆解GEM-X Epi Multiome工作流程的基本步骤（图2），并为您介绍一些能够助您取得成功的实用工具。

图2. GEM-X Epi Multiome工作流程。

第一步，样本制备。您可以从细胞或组织开始，但最终都需要制备出细胞核，因为染色质可及性的检测正是基于细胞核。细胞核分离可能颇具挑战，但我们的细胞核分离试剂盒正在不断优化这一过程——它可以在约1小时内，从多种冷冻组织中制备出细胞核悬液，几乎不需要额外优化。

使用细胞核分离试剂盒通常是样本制备中最简便的方式，不过某些组织可能需要采用不同的方法。欢迎查看我们的已验证组织列表：

• 细胞核分离试剂盒已验证组织列表（1）

• 细胞核分离试剂盒样本制备用户指南（2）（当您准备好开始实验时即可查阅！）

如果细胞核分离试剂盒不适合您的样本，我们还提供丰富的用户指南和实验方案，帮助您针对不同样本类型进行优化：

• 适用于GEM-X Epi Multiome的细胞核分离方案（3）

• 来自复杂组织的细胞核分离方案（4）

完成细胞核分离后，接下来就可以着手构建单细胞ATAC文库和单细胞基因表达文库了。首先，将细胞核与转座酶一起孵育，转座酶会进入细胞核，并在染色质开放区域将DNA打断成片段（从而揭示出已准备好进行基因表达的位置）。随后，这些经过转座处理的细胞核会与凝胶珠单独分配，凝胶珠能够为每个细胞核中的DNA片段和mRNA同时打上条码标签。GEM（凝胶珠包裹液滴）中含有逆转录试剂，用于生成cDNA。孵育GEM后，您将获得带有条码标签的DNA以及带有条码标签的全长cDNA，从而基于同一细胞核构建出ATAC文库和基因表达文库。

完整流程的详细步骤，请参阅我们的检测方案用户指南（同时提供网页版）：

• GEM-X Epi Multiome用户指南（5）

分析您的GEM-X Epi Multiome数据

完成文库制备和测序后，就可以进入数据分析环节，从同一细胞中直接测量的染色质可及性和基因表达数据中挖掘深层生物学洞见。Cell Ranger Arc分析流程（6）可以帮您处理原始测序数据，随后Loupe Browser软件（7）则负责完成数据可视化。这些工具能够支持您对基因表达、染色质可及性及二者之间的关联展开细致分析。

但这些关联究竟是什么，又是什么样子呢？这些Loupe Browser教程（8）可以帮助您直观感受Epi Multiome数据在软件界面中的呈现方式，通过图示和详细步骤讲解，帮您了解多组学数据的核心概念（例如基因-峰特征关联）。

欢迎查看我们专为Epi Multiome数据准备的分析指南（9），进一步深入了解一些重要概念：

• Epi Multiome下游数据分析的后续步骤（10）

• 10x Genomics Epi Multiome数据的质量控制与过滤（11）

10x的独特优势

得益于经过改进的微流控技术和检测化学体系，GEM-X Epi Multiome具有几项重要的差异化优势：

• 高捕获效率：最多可对原始细胞核悬液中80%的细胞核进行分析，充分利用来之不易的样本制备成果，从珍贵的临床样本中获得最大化的洞见。

• 成本更低：通量的提升，加上相比以往化学体系基因表达灵敏度提高两倍，共同降低了单细胞成本——因为您可以在一次实验中处理更多细胞，同时在测序上花费更少的预算。

• 更强的发现能力：每个细胞核可捕获更多基因，也意味着您能够更有效地检测低表达转录本和稀有细胞群体。

除了检测方案本身，您还将获得10x Genomics团队的专业支持，以及完善的资源生态。我们一流的支持团队满意度超过90%，并提供丰富的文档和培训资源，从样本制备到数据分析的全流程为您提供指导。

欢迎访问我们的产品页面，进一步了解GEM-X Epi Multiome。

参考资源：

1. https://www.10xgenomics.com/support/epi-multiome/documentation/steps/sample-prep/chromium-nuclei-isolation-kit-tested-tissues

2. https://cdn.10xgenomics.com/image/upload/v1775599228/user-guides-pdfs/CG000505_Chromium_Nuclei_Isolation_Kit_UG_RevB.pdf

3. https://www.10xgenomics.com/support/epi-multiome/documentation/steps/sample-prep/nuclei-isolation-for-single-cell-multiome-atac-plus-gene-expression-sequencing

4. https://www.10xgenomics.com/support/epi-multiome/documentation/steps/sample-prep/nuclei-isolation-from-complex-tissues-for-single-cell-multiome-atac-plus-gene-expression-sequencing

5. https://www.10xgenomics.com/support/epi-multiome/documentation/steps/library-prep/gem-x-epi-multiome-user-guide

6. https://www.10xgenomics.com/support/software/cell-ranger-arc/latest/getting-started/what-is-cell-ranger-arc

7. https://www.10xgenomics.com/support/software/loupe-browser/latest

8. https://www.10xgenomics.com/support/software/loupe-browser/latest/tutorials/assay-analysis/lb-single-cell-multiome

9. https://www.10xgenomics.com/analysis-guides?sort=updated+DESC&tag%5BproductNames%5D=Epi+Multiome

10. https://www.10xgenomics.com/analysis-guides/getting-started-cell-ranger-arc

11. https://www.10xgenomics.com/analysis-guides/tutorials-epi-multiome-qc

12. https://www.10xgenomics.com/publications?page=1&sort=date+DESC&tag%5Bproducts%5D=Epi+Multiome