▎药明康德内容团队编辑在高等真核生物中，基因组在细胞核内的三维空间构象对细胞功能至关重要。例如，增强子常常通过三维空间相互作用调控远端目标基因的转录活性；三维基因组水平上的异常也与包括癌症在内的多种疾病的发生密切相关。然而，三维基因组与基因表达的整体关系仍然存在争议。近些年的研究将单细胞Hi-C（高通量染色质构象捕捉）与RNA测序（RNA-seq）应用于检测出生后的小鼠大脑，并将分别从这两类数据中鉴定出的细胞类型进行匹配，用于三维基因组和转录组分析。但问题是，在发育过程中，三维基因组和转录组变化的先后顺序存在不确定性，因此当两类数据来自不同细胞类型时，研究建立起的三维基因组与转录组关联就可能出现错误。因此，想要进一步认识复杂组织器官和丰富细胞类型背景下的染色质三维结构和基因表达之间的关系，亟需更有力的工具从而平行捕获染色质构象和基因表达。2023年6月9日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）邢栋课题组在《科学》（Science）期刊发表研究论文，报道了一种新型单细胞多组学技术HiRES（Hi-C and RNA-seq employed simultaneously），首次基于测序方法实现了在单细胞水平对转录组和三维基因组的同时检测。借助该技术，研究发现在基因转录激活之前广泛存在染色质结构重排，证实了特定染色质的相互作用与转录调控和细胞功能密切相关。HiRES方法首先在细胞群体水平进行原位反转录和染色质构象捕获，之后通过流式分选得到单细胞，再对每个单细胞进行扩增后测序。DNA或RNA读段通过反转录过程中引入的RNA识别序列进行区分，因此该方法不涉及DNA和RNA的物理分离，最大程度地提高了检测效率。在小鼠大脑样品中，平均每个细胞可以检测到6517个基因，27 468条转录本（UMIs）以及317 435个染色质相互作用。利用该数据，研究人员可以对单细胞三维基因组进行高分辨率结构重构，并可以在三维结构上对基因表达水平进行观测。▲HiRES方法能高效检测单细胞的转录组和三维基因组。（A）HiRES方法流程示意图。（B）MALBAC-DT和HiRES两种方法检测到的基因和转录本数目。（C）Dip-C和HiRES两种方法检测到的染色质相互作用数。（D）示例单细胞染色质三维结构上的染色质区室化情况，可以看到异染色质（洋红色）和常染色质（绿色）的分区。（E）示例单细胞染色质三维结构上的基因表达情况。球的大小代表表达量的高低。（图片来源：邢栋课题组供图）之后，利用HiRES方法，研究人员绘制了小鼠胚胎自妊娠后7天至11.5天这一时期共7469 个单细胞的转录组和三维基因组图谱。通过对该双组学数据的分析，研究团队首先探索了不同细胞类型中细胞周期对三维基因组的影响。为此，他们开发了一种对单细胞进行细胞周期划分的策略，主要依赖DNA空间相互作用特征、细胞周期相关基因表达以及DNA复制程度等指标，可以将单细胞分配到不同的细胞周期状态之一。在胚胎组织中，研究人员发现根据染色质结构定义的细胞类群与细胞周期状态之间的一致性更强，说明与细胞周期相关的染色质结构变化对总体的染色质空间构象具有重要影响。在不同的细胞类型之间，该研究开发了一种半定量的比较细胞周期过程中染色质结构的方法，并发现分裂间期细胞的染色质构象由两个独立的过程决定——有丝分裂后染色体的自发展开和基因组的复制。对于G1期较短的细胞类型，这两个过程在时间上可能重叠，从而共同决定了染色质三维结构的细胞周期动态。▲利用双组学特征注释细胞周期状态。图中每一列为一个单细胞。（图片来源：邢栋课题组供图）接下来，研究团队探索了不同细胞类型间的差异染色质相互作用。作者开发了一种能高效检测染色质差异相互作用（differential interaction, DI）的新方法。基于该方法，研究人员发现染色质结构的特化在原肠形成时期就已经出现，并且差异染色质结构位点上显著富集了差异表达基因，提示染色质结构变化与细胞功能紧密相关。在此基础上，该研究进一步利用染色质相互作用强度与基因表达水平的协同变化，将差异相互作用与其潜在的相关基因联系起来。这些与基因表达显著相关的差异相互作用被称为GADI（gene-associated DI）。研究发现GADI常常将启动子与远端的调控元件（如增强子、超级增强子）连接起来。因此，GADI不仅仅是转录活动的结果，还包含了许多潜在的增强子-启动子相互作用，这些相互作用很可能是控制细胞类型特异性基因表达的基础。▲连接到Dcc 和Dlc1基因的GADI示例（图片来源：邢栋课题组供图）在将染色质相互作用与特定基因联系起来后，该研究进一步比较了染色质构象变化和转录水平变化在拟时间序列上的先后关系，并鉴定了超过4万个先于转录变化的染色质相互作用变化。通过对这些染色质空间构象变化位点的表观遗传学分析，研究发现这种先于转录的染色质构象变化主要分为两类：首先，在大多数基因位点上，先于基因表达的染色质构象重排主要建立在活性染色质之间，这可能是增强子的激活所驱动的；其次，对于一部分位于抑制性染色质环境中的基因，转录激活前需要出现异染色质结构的松弛。尽管这两种过程背后更详细的分子机制有待进一步探索，这一结果强烈地支持了染色质三维结构广泛参与基因表达调控的观点。▲转录激活前发生的染色质结构重构的示意图（图片来源：邢栋课题组供图）北京大学生物医学前沿创新中心、生命科学学院博士生刘致远、陈玉洁、夏启旻为该论文的共同第一作者，北京大学生物医学前沿创新中心邢栋研究员为该论文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金、北京大学 "临床医学+X-青年学者项目"和北京未来基因诊断高精尖创新中心的资助，以及北京大学高通量测序平台的协助与支持。邢栋课题组致力于开发和利用单细胞工具探索表观遗传学调控机制在转录调控、细胞命运决定以及疾病发生过程中的关键作用。[1] Z.Y. Liu, Y.J. Chen, Q.M. Xia et al., Linking genome structures to functions by simultaneous single-cell Hi-C and RNA-seq. Science (2023). DOI: 10.1126/science.adg3797本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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