《Nature Methods》：Spatial chromatin architecture and accessibility co-profiling of mammalian tissues
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细胞功能依赖于细胞与生物分子在组织微环境中的空间组织方式。空间组学的进展使得转录组、蛋白质组和表观基因组等分子特征的分析成为可能，基于成像的方法在研究空间三维（3D）基因组组织方面也取得快速进展。研究人员在此提出 Spatial-ATAC-Hi-C，一种基于微
细胞功能依赖于细胞与生物分子在组织微环境中的空间组织方式。空间组学的进展使得转录组、蛋白质组和表观基因组等分子特征的分析成为可能，基于成像的方法在研究空间三维（3D）基因组组织方面也取得快速进展。研究人员在此提出 Spatial-ATAC-Hi-C，一种基于微流控的平台，可在组织切片上对三维基因组构象与染色质可及性进行全基因组、空间分辨的联合分析。应用于小鼠与人脑时，Spatial-ATAC-Hi-C 揭示了神经元与非神经元群体在原位组织环境中具有差异化的染色质构象与基因调控程序。在胶质母细胞瘤与星形细胞瘤样本中，研究人员检测到跨肿瘤区域的空间分辨三维基因组改变、拷贝数变异（CNV）与结构变异（SV），揭示了具有临床相关性的致癌事件与克隆异质性。通过在保留组织架构的同时协同分析基因组构象与染色质可及性，Spatial-ATAC-Hi-C 为研究人类生物学与疾病中的空间基因调控提供了有力工具。
研究背景与立项依据
几乎所有复杂生物过程都受空间背景塑造。局部组织微环境由邻近细胞、细胞外基质与旁分泌信号分子构成，可影响蛋白定位、染色质可及性与组蛋白修饰等过程。现有空间组学技术中，空间转录组（ST）、空间表观组（spatial-ATAC-seq、spatial-CUT&Tag）、空间蛋白组（spatial-CITE-seq、PLATO）及空间多组学（spatial-Mux-seq）已能解析多分子层，但三维基因组组织（由区室 compartment、拓扑关联结构域 TAD、染色质环 loop 构成）作为关键调控层，仍缺乏全基因组、空间分辨且能与染色质可及性协同分析的手段。基于成像的 DNA-MERFISH、seqFISH+、染色质追踪等技术虽可可视化亚核折叠，但多聚焦选定位点；而常规 Hi-C 及单细胞 Hi-C 丢失空间信息。因此，开发基于测序、全基因组、高分辨、空间分辨的三维基因组—染色质可及性协同分析平台，是阐明原生微环境中基因组折叠与转录调控如何协同的必要补充。
主要技术与样本队列
研究人员发展 Spatial-ATAC-Hi-C：将冰冻组织切片固定交联于微阵列载片，透核后酶切，组织原位邻近连接；以自组装 Tn5 转座体在原位转座片段化邻近连接 DNA；借助微流控通道依次递送水平 A（A1–A50）与垂直 B（B1–B50）空间条形码，形成 2500 像素的二维空间网格；反转交联富集生物素标记片段建库，按条形码还原各像素 Hi-C 与 ATAC-seq 信号。样本队列包括成年小鼠冠状脑切片（R6 前下丘脑、R8 前海马与丘脑区）、人成人小脑、胶质母细胞瘤（GBM，如 NU03747、NU04741）与星形细胞瘤（如 NU04707）患者新鲜切除标本；以相邻切片行 bulk in situ Hi-C、bulk ATAC-seq、无条形码对照及 WGS 验证。
研究结果
Development of Spatial-ATAC-Hi-C technology
经对照实验，Spatial-ATAC-Hi-C 的 Hi-C 接触图、PC1 值、绝缘分数与 bulk in situ Hi-C 高度一致，条形码步骤不引入偏倚；其伪批量 ATAC-seq 与 bulk ATAC-seq 及 ENCODE 小鼠胚胎数据高度相关（Spearman 0.895），Tn5 片段化使 loop 水平与开放染色质略有富集但不改变总体构象。每像素中位总接触 2.5万–5.8万，长程（≥10 kb）占 24%–33.3%，ATAC 中位唯一片段 3.4万–9.0万，TSS 富集呈核小体周期性，质量可比 spatial-ATAC-seq。
Spatial-ATAC-Hi-C captures complex cell identities in adult mouse brain
基于 Hi-C 的 gene-associating domain（GAD）评分与 ATAC 的 gene activity score（GAS）分别聚类，结果与 Allen 脑所解剖注释及 MERFISH 一致；像素 ATAC 投射至小鼠脑 scATAC 图谱获细胞类型注释，Adora2a、Penk 在纹状体，Cldn11、Satb2 分布与 MERFISH 吻合。鉴定兴奋神经元（Satb2、Neurod6）、抑制神经元（Adora2a、Gad2）、非神经元（Mpo、Nfia）标志基因与共 1006 个特异开放区，GO 显示兴奋神经元富集中枢发育/谷氨酸突触，抑制神经元富化学突触/GPCR，非神经元富分化/钙调控。R8 区进一步分 16 类，IT-ET Glut 下分 L2/3、L4/5 皮层状分布。
Spatial-ATAC-Hi-C reveals spatially resolved, cell-type-specific 3D chromatin architecture
A/B 区室在各细胞类间大体保守，1683 个细胞类特异区室中 765 个 PC1 与重叠基因 GAS 相关（PCC>0.3）；兴奋神经元区室富突触黏附/递质转运，抑制神经元富端脑迁移/GPCR，非神经元富免疫（IL-1、巨噬趋化）。loop 层面，兴奋神经元特异 Satb2 启动子—远端开放区 ~1 Mb loop（虚拟 4C 验证，ANOVA P=6.87×10?6），snm3C 数据佐证，单像素信号集中于同皮质；抑制神经元特异 Gpr88 loop 集中于纹状体。R6 共获兴奋 268、抑制 556、非神经元 41 个特异 loop； motif 富集显示兴奋神经元 Jun-AP1/Fosl2/Atf3，抑制神经元 Meis1。R8 区获兴奋 1688、抑制 243、非神经元 17 个 loop。
Spatial co-profiling of chromatin structure and accessibility in human brain
人小脑中 H&E 颗粒层/分子层模式与 ATAC、Hi-C 聚类吻合；CGN 标志 ETV1、NEUROD1、NFIA 的 GAS/GAD 在空间与 scATAC（CBGRC）一致；ETV1、NFIA 启动子—远端开放区互作在颗粒层簇 H0 高于 H1，单像素 ATAC 信号同步偏高，证明人脑细胞类型特异调控事件可空间解析。
Spatial-ATAC-Hi-C reveals spatial distribution of CNVs
将 GBM（NU04741）与星形细胞瘤（NU04707）拼于同片，伪批量 Hi-C 用 NeoLoopFinder 推 CNV 与 WGS 一致：NU04707 的 chr9 CDKN2A/CDKN2B 缺失、NU04741 的 chr12 CDK4 扩增均吻合；EagleC 检 NU04707 73 处、NU04741 12 处 SV，WGS（Delly+Lumpy）支持率 72.6% 与 58%，如 ADAM23::CTNND2、SDK1::PAK3 融合。单像素 5 Mb CNV 矩阵聚为 5 类， astrocytoma 与 GBM 各成簇，chr12p/chr11q 拷贝数差异具空间异质性。
Spatial 3D genome structure and chromatin accessibility co-profiling of glioblastoma
GBM NU03747 每像素中位 Hi-C 4.5万、ATAC 9.0万；伪批量示 chr7 增、chr10 减及 chr7/chr12 局扩，单像素热图同步显现。CNV 聚为三簇，C0/C1 空间分离；chr7 EGFR、chr12 MDM2/CDK4 拷贝比在 C0/C1 差异显著（Wilcoxon）。RNFT2 所在 chr12 区段 C1 高拷贝高 GAS；cluster 特异 loop 的 APA 与 GO 显示增殖/基质重塑相关。证明 GBM 内克隆空间分布与致癌事件可直接由空间三维基因组—表观协同读出。
讨论与结论翻译
研究人员提出，Spatial-ATAC-Hi-C 首次在组织切片上以全基因组、空间分辨方式协同剖析三维基因组构象与染色质可及性，弥补了成像法位点局限与常规 Hi-C 丢失空间的短板。在小鼠及人脑中，该技术重述细胞类型与脑区特异的 A/B 区室、TAD 样结构及细胞类型特异染色质环，并将开放染色质状态与构象直接偶联；在 GBM 与星形细胞瘤中，它同时给出空间定位的 CNV/SV、融合基因与克隆簇，揭示肿瘤内异质性与临床相关致癌事件的原位分布。结论指出：通过在保留组织架构下共分析基因组架构与染色质可及性，Spatial-ATAC-Hi-C 为研究人类生物学与疾病中的空间基因调控提供了强力工具。该文发表于《Nature Methods》。
