伊成器/朱晨旭团队开发SIMPLE-seq技术对单细胞5mC与5hmC进行同时检测 | 《自然-生物技术》论文
NBT自然-生物技术约 3 分钟研究背景
研究结果与展望
为了深入研究上述问题, 北京大学伊成器课题组联合纽约基因组中心/康奈尔大学医学院朱晨旭课题组基于新颖的标记和记录策略, 发展了在单细胞、单分子水平上同时检测5mC和5hmC的测序新方法SIMPLE-seq (simultaneous profiling of epigenetic cytosine modifications by sequencing)。该方法引入了一种正交的标记反应策略将5hmC和5mC先后转化为两种胸腺嘧啶(T)类似物, 并利用DNA聚合酶延伸反应记录转化产物中的碱基突变信号(5hmC-to-T, 5mC-to-T)。同时, 作者引入了带有修饰碱基的指示序列并利用其伴随产生的突变信号对5mC和5hmC的突变信息进行拆分, 实现了同时检测同一条DNA分子上的5mC和5hmC两种修饰。为了实现对复杂生物学样品和过程的研究, 研究团队进一步将该流程与细胞组合标签技术 (combinatorial barcoding) 相结合, 实现了在高通量全基因组水平单细胞分析。
作者首先将SIMPLE-seq技术应用于研究不同干性培养条件下小鼠胚胎干细胞的表观图谱差异, 在单分子水平上鉴定了5mC与5hmC的分布关系, 解析了两种干细胞状态下DNA表观遗传图谱的重编程变化。作者还将SIMPLE-seq技术应用于分析细胞组成复杂的组织样本, 包括绘制了约3,000个人外周血单个核细胞 以及6,000个小鼠大脑皮层细胞的DNA甲基化和羟甲基化图谱。作者结合两类表观遗传修饰鉴定得到精细的细胞分型结果; 针对不同类型细胞探究了两种DNA表观遗传修饰与转录因子结合、组蛋白修饰、基因表达等其它组学之间的关系, 展示了SIMPLE-seq在多种复杂生物学样本中鉴定不同细胞类型和状态的能力, 体现了DNA甲基化和羟甲基化联合分析的巨大潜力和广泛应用场景。
综上所述, SIMPLE-seq是一种在单细胞单分子水平同时检测DNA甲基化和羟甲基化的新技术, 可以在复杂生物学样本(神经细胞、免疫细胞)和复杂生物学过程(细胞分化、器官发育)中检测多种细胞类型的DNA表观遗传修饰的全景图谱。SIMPLE-seq为研究DNA表观遗传修饰在细胞正常分化中的重编程以及疾病发生发展过程中的异常变化提供了有力工具。SIMPLE-seq还可以进一步与转录组、组蛋白修饰、三维基因组以及染色质可及性等组学分析相结合, 进一步扩展DNA表观遗传修饰的功能和机制研究。