Nat Rev | 單細(xì)胞表觀基因組學(xué)揭秘順式調(diào)控元件

原創(chuàng)?huacishu?圖靈基因?2022-07-25 11:03?發(fā)表于江蘇

收錄于合集#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：huacishu

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亮點(diǎn)：

1、作者重點(diǎn)介紹了單細(xì)胞表觀基因組方法和分析工具的最新進(jìn)展，并討論了它們對(duì)人體組織分析的情況；

2、作者概述了單細(xì)胞分析的一般技術(shù)原理，并討論了用于分析不同表觀基因組特征的實(shí)驗(yàn)性單細(xì)胞平臺(tái)的現(xiàn)狀，特別側(cè)重于CRE注釋方法。還討論了用于處理單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)集和表征CREs細(xì)胞類(lèi)型特異性活性的分析工具。

加州大學(xué)圣地亞哥分校Bing?Ren教授課題組在國(guó)際知名期刊Nat Rev Genet在線(xiàn)發(fā)表題為“Characterizing cis-regulatory elements using single-cell epigenomics?”的論文。發(fā)育過(guò)程中或疾病中的細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)模式由順式調(diào)控元件（CREs）控制，如啟動(dòng)子和增強(qiáng)子。不同類(lèi)別的CREs可以通過(guò)其表觀基因組特征來(lái)表征，包括DNA甲基化、染色質(zhì)可及性、組蛋白修飾的組合和局部染色質(zhì)的構(gòu)象。使用大量轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀基因組學(xué)方法對(duì)人類(lèi)基因組中的CREs進(jìn)行編目已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。然而，單細(xì)胞表觀基因組和多組學(xué)技術(shù)有可能提供對(duì)細(xì)胞類(lèi)型特異性基因調(diào)控程序的更深入了解。在此，作者重點(diǎn)介紹了單細(xì)胞表觀基因組方法和分析工具的最新進(jìn)展，并討論了它們對(duì)人體組織分析的情況。

時(shí)空和細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)模式由稱(chēng)為順式調(diào)控元件（CREs）的DNA序列控制。詳細(xì)了解基因組中的每個(gè)CRE將有助于描繪控制物種發(fā)育、細(xì)胞分化和適應(yīng)環(huán)境的基因調(diào)控程序。這樣的理解對(duì)于深入了解不同物種的特征進(jìn)化以及解釋與人類(lèi)疾病和復(fù)雜特征相關(guān)的非編碼風(fēng)險(xiǎn)變體數(shù)量的增長(zhǎng)也至關(guān)重要。啟動(dòng)子和增強(qiáng)子通過(guò)與序列特異性轉(zhuǎn)錄因子的組合相互作用以細(xì)胞類(lèi)型特異性的方式指導(dǎo)基因表達(dá)的時(shí)空模式。然而，這些相互作用也受到表觀遺傳機(jī)制的調(diào)節(jié)，包括染色質(zhì)可及性，可以使用DNase I-超敏位點(diǎn)測(cè)序（DNase-seq）和轉(zhuǎn)座酶可及染色質(zhì)測(cè)序（ATAC-seq）等方法對(duì)其進(jìn)行分析；DNA甲基化，可使用全基因組亞硫酸氫鹽測(cè)序（WGBS）分析；組蛋白修飾，可以使用染色質(zhì)免疫沉淀和測(cè)序進(jìn)行分析（芯片序列）。幾項(xiàng)大規(guī)模研究，對(duì)數(shù)百個(gè)組織樣本、原代細(xì)胞或細(xì)胞系的表觀基因組進(jìn)行了分析，以注釋人類(lèi)基因組中數(shù)百萬(wàn)個(gè)候選CREs（CCRe）。基于染色質(zhì)可及性、DNA低甲基化和某些組蛋白修飾，所得CCRe被分類(lèi)為啟動(dòng)子樣或增強(qiáng)子樣元件；H3K4me1用于平衡、啟動(dòng)和活化增強(qiáng)子（圖1）。這些CCRe目錄與染色質(zhì)相互作用圖譜相結(jié)合，為研究人類(lèi)和其他物種不同組織和細(xì)胞類(lèi)型中的基因調(diào)控提供了寶貴的資源，有助于建立非編碼DNA變體在人類(lèi)疾病病因和復(fù)雜性狀中的關(guān)鍵作用，并提供了解釋此類(lèi)變體的框架。

盡管取得了巨大進(jìn)展，但現(xiàn)有的人類(lèi)基因組cCRE目錄仍存在一些局限性。許多目錄缺乏細(xì)胞類(lèi)型分辨率，因?yàn)閿?shù)據(jù)集是從未排序的組織生成的。此外，只有數(shù)量較多且具有良好特征的表面標(biāo)記（如血細(xì)胞類(lèi)型）的細(xì)胞類(lèi)型才能進(jìn)行足夠數(shù)量的分類(lèi)和分離，以進(jìn)行大量表觀基因組分析，而罕見(jiàn)或無(wú)特征的細(xì)胞類(lèi)型則無(wú)法進(jìn)行分析（圖2a）。在體內(nèi)細(xì)胞數(shù)量受到限制的情況下，使用了體外原代細(xì)胞或癌細(xì)胞系，但由于轉(zhuǎn)化或培養(yǎng)條件，這些細(xì)胞或癌細(xì)胞系不能完全重現(xiàn)體內(nèi)的調(diào)節(jié)景觀。單細(xì)胞表觀基因組技術(shù)的發(fā)展提供了一種克服其中一些局限性的方法，通過(guò)生成更全面的CREs目錄，可以研究CREs染色質(zhì)狀態(tài)變化與原代組織中特定細(xì)胞類(lèi)型的基因表達(dá)之間的關(guān)系。這些方法可以克服細(xì)胞異質(zhì)性，揭示不同生理或病理?xiàng)l件下的細(xì)胞狀態(tài)，允許檢測(cè)未知或罕見(jiàn)的細(xì)胞類(lèi)型，并揭示細(xì)胞類(lèi)型特異性差異和動(dòng)力學(xué)。例如，特定于單元類(lèi)型的配置文件可以幫助揭示在批量數(shù)據(jù)集中檢測(cè)到的低信號(hào)是來(lái)自有限數(shù)量的單元類(lèi)型中的高信號(hào)還是來(lái)自樣本中大多數(shù)單元類(lèi)型中的低信號(hào)（圖2b）。在這篇綜述中，作者概述了單細(xì)胞分析的一般技術(shù)原理，并討論了用于分析不同表觀基因組特征的實(shí)驗(yàn)性單細(xì)胞平臺(tái)的現(xiàn)狀，特別側(cè)重于CRE注釋方法。還討論了用于處理單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)集和表征CREs細(xì)胞類(lèi)型特異性活性的分析工具。

單細(xì)胞表觀基因組技術(shù)

單細(xì)胞表觀基因組學(xué)的一般策略

單細(xì)胞技術(shù)通?？煞譃槿?lèi)。第一組涉及傳統(tǒng)批量分析的小型化版本，其中單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞核被分揀或分布到微孔中，或被捕獲到微流控反應(yīng)室中（圖3a）。每個(gè)細(xì)胞都用寡核苷酸形式的DNA條形碼進(jìn)行標(biāo)記，然后將得到的唯一標(biāo)記的單細(xì)胞文庫(kù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行測(cè)序。第二組方法利用基于液滴的微流控平臺(tái)的快速流速，實(shí)現(xiàn)每個(gè)庫(kù)高達(dá)10000個(gè)細(xì)胞的處理量。在這些方法中，條形碼發(fā)生在液滴中，每個(gè)液滴包含一個(gè)細(xì)胞（或細(xì)胞核）。液滴通常在庫(kù)生成之前分解（圖3b）。第三組方法使用單細(xì)胞組合索引來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于或高于基于液滴的方法的處理量（圖3c）。在這種方法中，細(xì)胞分布在微滴定板中，每個(gè)孔包含一組細(xì)胞而不是單個(gè)細(xì)胞；同一孔中的所有細(xì)胞都標(biāo)記有相同的條形碼。在每一輪索引后，來(lái)自所有孔的細(xì)胞被合并并重新分配到一組新的微滴定板中，用于另一輪索引。測(cè)序讀取根據(jù)索引組合分配給單個(gè)單元格。（圖3c）。近年來(lái)，所有三種單細(xì)胞策略都被用于開(kāi)發(fā)分析不同表觀基因組特征的方法，包括DNA甲基化、染色質(zhì)可及性、組蛋白修飾和染色質(zhì)相互作用。最初是為了一次評(píng)估一種模式而開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在的進(jìn)展可以對(duì)同一細(xì)胞中的多個(gè)表觀基因組特征和轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行并行分析。理想的單細(xì)胞分析將捕獲所有可通過(guò)單個(gè)細(xì)胞中給定的表觀遺傳標(biāo)記識(shí)別的調(diào)控元件，并能夠并行分析數(shù)千個(gè)細(xì)胞。近年來(lái)，單細(xì)胞分析主要側(cè)重于提高每個(gè)樣本的細(xì)胞檢測(cè)量，這是通過(guò)基于液滴和組合條形碼的方法實(shí)現(xiàn)的。這些進(jìn)展特別有助于分析復(fù)雜組織，如大腦。另一方面，當(dāng)細(xì)胞總數(shù)有限時(shí)，如在胚胎發(fā)育中，最大限度地?cái)U(kuò)大每個(gè)細(xì)胞的覆蓋率是至關(guān)重要的。單細(xì)胞分析的另一個(gè)重要方面是其特異性，即其能夠在包含感興趣的表觀遺傳特征的區(qū)域中傳遞高比例的讀取，而在缺乏該特征的區(qū)域中傳遞低讀取數(shù)。最后，最初使用細(xì)胞系、外周血單個(gè)核細(xì)胞（PBMC）的單細(xì)胞懸浮液或單個(gè)組織開(kāi)發(fā)的分析通常需要進(jìn)一步優(yōu)化，以應(yīng)用于不同的組織或樣品儲(chǔ)存條件。

DNA甲基化的單細(xì)胞分析

CpG二核苷酸中的5′-甲基胞嘧啶（5mC）是動(dòng)物基因組中DNA甲基化的主要形式。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，胞嘧啶甲基化水平由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT1、DNMT3a和DNMT3b）和甲基胞嘧啶雙加氧酶的TET家族調(diào)節(jié)，它們?cè)谌ゼ谆^(guò)程中起著核心作用。長(zhǎng)期以來(lái)，DNA甲基化一直被認(rèn)為在基因表達(dá)中起抑制作用。因此，CREs的甲基CpG水平通常與其使用和活性呈負(fù)相關(guān)，導(dǎo)致使用低水平或缺乏胞嘧啶DNA甲基化來(lái)識(shí)別哺乳動(dòng)物基因組中的活性或引物CREs（圖1b）。相比之下，最近的研究發(fā)現(xiàn)了DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合之間更復(fù)雜的關(guān)系。雖然胞嘧啶甲基化可以阻止許多轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，但也可能促進(jìn)其他轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合。此外，在胚胎干細(xì)胞和許多神經(jīng)細(xì)胞類(lèi)型中觀察到非CG背景下的胞嘧啶甲基化，在這種情況下，它似乎通過(guò)招募阻遏蛋白（如MeCP2）來(lái)介導(dǎo)局部轉(zhuǎn)錄抑制。因此，胞嘧啶甲基化的全基因組、堿基對(duì)解析圖譜不僅對(duì)注釋候選CREs很重要，而且對(duì)了解其對(duì)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或基因表達(dá)的影響也很重要。

染色質(zhì)可及性的單細(xì)胞分析

非活性CREs通常嵌入緊密的染色質(zhì)纖維中，轉(zhuǎn)錄因子無(wú)法進(jìn)入。轉(zhuǎn)錄因子與CREs處的核小體DNA的結(jié)合啟動(dòng)了核小體重塑復(fù)合物的募集，導(dǎo)致局部核小體的置換，從而使額外的轉(zhuǎn)錄因子與CREs結(jié)合，在啟動(dòng)子處組裝轉(zhuǎn)錄機(jī)制，并在特定細(xì)胞譜系中轉(zhuǎn)錄基因?；钚訡REs處核小體的置換也使?jié)撛贒NA易受核酸內(nèi)切酶（如DNase I）的消化或轉(zhuǎn)座酶（如Tn5）產(chǎn)生的雙鏈斷裂的影響。因此，用這些酶處理染色質(zhì)，然后進(jìn)行高通量DNA測(cè)序，如DNase-Seq和ATAC-Seq，已廣泛用于探測(cè)染色質(zhì)可及性和識(shí)別特定細(xì)胞或組織類(lèi)型中的活性CREs（圖1b）。單細(xì)胞染色質(zhì)可訪問(wèn)性分析已被廣泛采用，這些方法將有助于大規(guī)模的繪圖工作，例如人類(lèi)細(xì)胞圖譜，通過(guò)促進(jìn)跨數(shù)百個(gè)樣本的數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)高效的并行分析，以揭示僅在非常罕見(jiàn)的細(xì)胞類(lèi)型中可獲得（并且可能具有活性）的CRE，并揭示發(fā)育或疾病期間CCRE的動(dòng)態(tài)。因此，這些技術(shù)將在廣度和深度上擴(kuò)展當(dāng)前的單細(xì)胞染色質(zhì)可及性圖譜。

組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的單細(xì)胞分析

組蛋白的共價(jià)修飾，包括H2A、H2B、H3、H4及其變體，是轉(zhuǎn)錄調(diào)控不可或缺的組成部分。培養(yǎng)細(xì)胞或組織中的組蛋白修飾圖譜顯示，啟動(dòng)子與H3K4me3相關(guān)，而增強(qiáng)子與H3K4me1相關(guān)。這兩類(lèi)CREs還與其他組蛋白修飾相關(guān)，這些修飾可以提供有關(guān)其激活狀態(tài)的進(jìn)一步信息。因此，組蛋白修飾的全基因組分析有助于識(shí)別潛在的CRE并表征其活性（圖1b）。ChIP-seq長(zhǎng)期以來(lái)被用于分析大樣本中的組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。在這種程序中，識(shí)別特定組蛋白修飾或轉(zhuǎn)錄因子的抗體用于在高通量DNA測(cè)序之前通過(guò)免疫沉淀從核提取物中富集結(jié)合的染色質(zhì)片段。然而，染色質(zhì)免疫沉淀的效率可能較低，因此對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行芯片序列分析尤其具有挑戰(zhàn)性。

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的單細(xì)胞分析

間期細(xì)胞核中的染色體折疊成域（TAD和亞TAD），這種3D染色質(zhì)組織使遠(yuǎn)端增強(qiáng)子能夠在空間中靠近其目標(biāo)基因啟動(dòng)子。TAD在早期胚胎發(fā)生過(guò)程中形成，并在發(fā)育過(guò)程中穩(wěn)定維持。在分裂細(xì)胞中，TAD在有絲分裂過(guò)程中消失，并在G1早期重新建立。TAD被認(rèn)為通過(guò)促進(jìn)相同TAD內(nèi)啟動(dòng)子和增強(qiáng)子之間的接觸，同時(shí)減少位于不同TADs3中的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子之間相互作用的機(jī)會(huì)，從而有助于發(fā)育調(diào)節(jié)基因表達(dá)（圖1b）。因此，了解染色質(zhì)結(jié)構(gòu)可以幫助識(shí)別CRE靶基因。迄今為止，由于成本高、吞吐量有限和數(shù)據(jù)稀疏，單細(xì)胞染色質(zhì)構(gòu)象分析尚未被廣泛用于組織分析。此外，細(xì)胞類(lèi)型特異性接觸的有限知識(shí)阻礙了分析，這些接觸可以作為細(xì)胞類(lèi)型注釋的標(biāo)記，與標(biāo)記基因表達(dá)或標(biāo)記基因位點(diǎn)處的可訪問(wèn)染色質(zhì)相當(dāng)。

單細(xì)胞多組學(xué)分析

一次對(duì)一種模式進(jìn)行分子分析的大量單細(xì)胞表觀基因組技術(shù)為深入了解不同樣本和細(xì)胞類(lèi)型中的基因調(diào)控提供了幫助。然而，單模態(tài)數(shù)據(jù)集只能提供不同表觀遺傳修飾和基因表達(dá)之間復(fù)雜相互作用的部分圖片。分析來(lái)自同一細(xì)胞的多種模式可以幫助我們更好地理解CRE活性和基因表達(dá)之間的關(guān)系或不同表觀遺傳學(xué)特征之間的關(guān)系。多模式分析可以幫助解決CRE活性和基因表達(dá)不直接相關(guān)的情況。例如，可以在不改變基因表達(dá)的情況下調(diào)節(jié)CRE或一組CRE的活性，或者CRE活性和基因表達(dá)的變化可能在發(fā)育或早期疾病階段的不同時(shí)間尺度上發(fā)生。此外，多組學(xué)數(shù)據(jù)也有助于將不同的模式映射到一個(gè)共同的參考，例如大型單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)圖譜。因此，許多多組學(xué)分析旨在檢測(cè)基因表達(dá)和表觀基因組標(biāo)記。

單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)分析

單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)提出了獨(dú)特的分析挑戰(zhàn)，包括高維度和稀疏性、顯著的細(xì)胞間變異性和頻繁的批量效應(yīng)。因此，無(wú)法直接使用從傳統(tǒng)的整體表觀基因組分析中繪制和表征CREs的方法，需要新的分析策略。單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)分析通?？煞譃槿齻€(gè)主要任務(wù)：數(shù)據(jù)處理和聚類(lèi)、與其他單細(xì)胞模式的集成以及CCRE的識(shí)別和表征。

數(shù)據(jù)處理和細(xì)胞聚類(lèi)

在數(shù)據(jù)處理和聚類(lèi)中，來(lái)自單細(xì)胞表觀基因組分析的原始序列數(shù)據(jù)被翻譯成對(duì)應(yīng)于細(xì)胞類(lèi)型或譜系的聚類(lèi)（圖4a）。原始序列數(shù)據(jù)的初始預(yù)處理使用DNA條形碼將讀取分配給單個(gè)細(xì)胞，并根據(jù)讀取深度或信噪比測(cè)量值（例如轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)富集）過(guò)濾出低質(zhì)量的細(xì)胞或細(xì)胞核。然后對(duì)產(chǎn)生的細(xì)胞進(jìn)行“批量”和單個(gè)細(xì)胞的質(zhì)量控制檢查，并取決于所分析的特定類(lèi)型的表觀基因組數(shù)據(jù)。然后，進(jìn)一步的預(yù)處理通過(guò)特征將讀取片段轉(zhuǎn)換為細(xì)胞的讀取計(jì)數(shù)矩陣。轉(zhuǎn)換得到的矩陣可以用于保留區(qū)域的子集，例如，具有最強(qiáng)信號(hào)或最高可變性的區(qū)域。

與其他單細(xì)胞模式的整合

單細(xì)胞表觀基因組圖譜可以與其他分子模式相結(jié)合，例如轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)豐度或其他表觀基因組數(shù)據(jù)類(lèi)型，與單細(xì)胞表觀基因組數(shù)據(jù)模式相比，提高了細(xì)胞類(lèi)型和亞類(lèi)型識(shí)別的分辨率?？缤ǖ罃?shù)據(jù)集成有兩種主要形式，“垂直”和“對(duì)角”，這取決于數(shù)據(jù)分別是從相同的單元還是從不同的單元生成。

CCRE的識(shí)別和表征

接下來(lái)通過(guò)定義CCRE，并獲得對(duì)細(xì)胞類(lèi)型特異性基因調(diào)控的生物學(xué)見(jiàn)解（圖4b，c）。下游分析可以使用與處理和聚類(lèi)相同的分析包（如Signac、ArchR和SnapATAC）執(zhí)行，也可以使用為特定分析開(kāi)發(fā)的獨(dú)立工具。在單細(xì)胞表觀基因組分析定義的每個(gè)細(xì)胞類(lèi)型簇中，典型的任務(wù)是識(shí)別基因組區(qū)域或“峰”，細(xì)胞類(lèi)型中有豐富的信號(hào)。這些峰被認(rèn)為是CCRE，因?yàn)樗鼈兊姆肿庸δ苄枰M(jìn)一步表征。識(shí)別CCRE的標(biāo)準(zhǔn)包括通過(guò)聚集對(duì)該細(xì)胞類(lèi)型的讀取，然后應(yīng)用為常規(guī)批量分析開(kāi)發(fā)的計(jì)算方法，將單個(gè)細(xì)胞輪廓轉(zhuǎn)換為每種細(xì)胞類(lèi)型的輪廓。此外，可以跨細(xì)胞類(lèi)型比較cCREs的活性，以識(shí)別在特定細(xì)胞類(lèi)型或一組細(xì)胞類(lèi)型中信號(hào)比其他細(xì)胞類(lèi)型更強(qiáng)的cCREs，這可以揭示調(diào)控特殊細(xì)胞過(guò)程的一組cCREs。鑒定cCRE的單細(xì)胞表觀基因組分析的一個(gè)關(guān)鍵步驟是確定每種細(xì)胞類(lèi)型中cCRE活性的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。例如，chromVAR通過(guò)確定包含給定基序的峰之間的細(xì)胞相對(duì)可及性，與細(xì)胞之間的平均可及性相比，在每個(gè)細(xì)胞的可訪問(wèn)染色質(zhì)輪廓中執(zhí)行序列基序富集。跨細(xì)胞富集變異性高的序列基序表明，相對(duì)于其他細(xì)胞類(lèi)型，基序優(yōu)先富集在一種或幾種細(xì)胞類(lèi)型中。來(lái)自chromVAR的基序富集也可用于與單細(xì)胞基因表達(dá)數(shù)據(jù)的整合分析，以識(shí)別轉(zhuǎn)錄因子基因，其表達(dá)與跨細(xì)胞或細(xì)胞類(lèi)型的基序富集高度相關(guān)。這些結(jié)果可以揭示在每種細(xì)胞類(lèi)型中起作用或調(diào)節(jié)特定CCRE集的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，以及在單個(gè)細(xì)胞中具有豐富活性的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，例如，可用于識(shí)別細(xì)胞類(lèi)型內(nèi)異質(zhì)亞群的調(diào)節(jié)因子。

結(jié)論和未來(lái)展望

單細(xì)胞表觀基因組方法通過(guò)提供每個(gè)注釋元素的細(xì)胞類(lèi)型特異性信息，有望極大地提高我們對(duì)基因組中CREs的認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，檢測(cè)單細(xì)胞表觀基因組不同層次的方法發(fā)展迅速，包括DNA甲基化、染色質(zhì)可及性、組蛋白修飾和染色質(zhì)相互作用。用于分析其中一些特征（如染色質(zhì)可及性和DNA甲基化）的協(xié)議相對(duì)成熟，并已廣泛用于人類(lèi)組織分析。相比之下，大多數(shù)分析組蛋白修飾或從同一細(xì)胞進(jìn)行多組學(xué)測(cè)量的方法目前還沒(méi)有得到很好的發(fā)展。健全和廣泛共享的協(xié)議或價(jià)格合理的商業(yè)解決方案將是全面了解體內(nèi)每種細(xì)胞類(lèi)型在發(fā)育或疾病階段的CREs動(dòng)態(tài)活性的基礎(chǔ)。跨器官和物種的豐富和罕見(jiàn)細(xì)胞類(lèi)型的單細(xì)胞表觀基因組圖譜改善了這些基因組中CCRE的特征。例如，人類(lèi)數(shù)據(jù)集揭示了腦、血液和其他組織中主要細(xì)胞類(lèi)型的亞型和細(xì)胞狀態(tài)之間的差異CCRE，并提出了負(fù)責(zé)發(fā)育和發(fā)病過(guò)程中細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的候選轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。令人興奮的是，新的CCRE細(xì)胞類(lèi)型解析目錄進(jìn)一步支持了疾病相關(guān)細(xì)胞類(lèi)型的識(shí)別，并促進(jìn)了人類(lèi)基因組中非編碼風(fēng)險(xiǎn)變體的解釋。單細(xì)胞表觀基因組學(xué)在生物醫(yī)學(xué)研究和精確醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用仍然面臨著幾個(gè)重要障礙。首先，絕大多數(shù)臨床生物樣本在固定后嵌入石蠟中，這種情況與大多數(shù)單細(xì)胞表觀基因組分析不兼容，通常需要新鮮采集或快速冷凍的組織樣本。為了充分利用與存檔生物樣本相關(guān)的臨床信息，需要開(kāi)發(fā)與固定后石蠟包埋或其他常見(jiàn)儲(chǔ)存條件兼容的穩(wěn)健單細(xì)胞表觀基因組技術(shù)。其次，目前的單細(xì)胞表觀基因組方法通常涉及細(xì)胞或細(xì)胞核的分離和組織背景信息的丟失。為了能夠捕獲表觀基因組圖譜以及組織背景信息，需要開(kāi)發(fā)空間表觀基因組技術(shù)。這些技術(shù)可以補(bǔ)充日益增長(zhǎng)的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，以描述表觀基因組在特定組織和細(xì)胞類(lèi)型生態(tài)位的內(nèi)環(huán)境平衡或疾病發(fā)病機(jī)制中的作用。第三，現(xiàn)有的單細(xì)胞表觀基因組技術(shù)僅捕獲每個(gè)細(xì)胞的一小部分表觀基因組，并且僅捕獲輸入細(xì)胞群的一小部分。對(duì)于數(shù)量有限或細(xì)胞類(lèi)型非常罕見(jiàn)的臨床樣本分析而言，提高捕獲效率和信息完整性是非常必要的?？朔@些障礙將在人類(lèi)基因組注釋和疾病機(jī)制理解方面帶來(lái)進(jìn)一步飛躍。

教授介紹

BingRen教授正在采用系統(tǒng)生物學(xué)的方法，努力了解負(fù)責(zé)形成各種細(xì)胞類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄調(diào)控程序。他開(kāi)發(fā)了一系列高通量方法和計(jì)算算法，用于全面繪制哺乳動(dòng)物基因組中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。利用這些工具，現(xiàn)在正在研究人類(lèi)胚胎干細(xì)胞中的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以了解控制這些多能干細(xì)胞自我更新和分化的過(guò)程。例如，Bing?Ren教授已經(jīng)繪制了人類(lèi)胚胎干細(xì)胞和幾種終末分化細(xì)胞中的活性啟動(dòng)子、增強(qiáng)子元件。序列分析發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)子是導(dǎo)致細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)的主要驅(qū)動(dòng)力。他的實(shí)驗(yàn)室主要聚焦哺乳動(dòng)物細(xì)胞中復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及如何控制細(xì)胞增殖和分化。具體包括：1）開(kāi)發(fā)基因組學(xué)和生物信息學(xué)工具，允許在全基因組范圍內(nèi)識(shí)別轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控靶點(diǎn)；2）將這些工具應(yīng)用于研究在癌癥中起關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子。

參考文獻(xiàn)

Preissl S, Gaulton KJ, Ren B. Characterizing cis-regulatory elements using single-cell epigenomics. Nat Rev Genet. 2022;10.1038/s41576-022-00509-1. doi:10.1038/s41576-022-00509-1