《自然-生物技术》新文上线︱刁亚锐/郑仁景团队开发超高通量单细胞三组学一体化解析三维基因组的新工具scHiCAR

研究背景  

      基因的转录调控依赖多层次机制，其中包染色质表观修饰的状态，以及染色质在细胞核内的三维空间折叠方式。三维基因组能够将远距离的增强子与靶基因联系在一起，是细胞命运决定、组织稳态和疾病发生的重要基础。然而，由于三维度基因组相互作用矩阵的复杂性远远超过转录组和表观组，现有的单细胞 3C 类方法在通量、成本、以及捕获长程互作的能力上仍存在明显限制，难以满足对复杂组织和疾病模型的大规模系统研究。此外，这些方法往往无法在同一个细胞中同步获取转录组、染色质开放区域与三维基因组互作，导致跨组学整合需依赖计算方法拼接，从而引入不可避免的偏差。因此，开发一种能够在同一细胞内高效解析三维组学、转录组和开放染色质的技术，一直是单细胞多组学领域的关键需求。

结果与展望

      针对这些技术瓶颈，杜克大学的刁亚锐团队开发了全新的单细胞三组学技术 scHiCAR（single-cell Hi-C with ATAC and RNA-seq）。该方法基于组合条形码策略，在不依赖专用仪器的情况下即可完成整个实验流程，并能在 3–4 天内从同一细胞中同时获得 mRNA、染色质可及性信息以及三维染色质互作结构。scHiCAR 的实验流程简洁、易扩展，单细胞测序成本低至几美分，使其能够轻松实现几百万单细胞多组学分析，打破了以往三维基因组技术在通量和成本上的限制。值得强调的是，scHiCAR 能显著提升以开放染色质区域为锚点的长程互作捕获能力，其效率比现有单细胞3C技术提高 20 倍以上，从根本上提升了单细胞三维基因组方法的检测效率。

图 1｜scHiCAR 的实验设计与原理。scHiCAR 通过四轮组合条形码策略，将开放染色质捕获、3C 互作固定与连接、以及 mRNA 捕获整合到同一实验流程中，实现对同一细胞的转录组、染色质可及性和三维基因组互作的 超高通量三组学 同步解析。值得注意的是，通过Tn5插入开放染色质区域的DNA接头不但可以捕捉调控元件例如增强子和启动子，还可以富集发生原位连接(in situ ligation)的DNA片段从而极大地提升以开放染色质区域为锚点的长程互作捕获能力。

      在 GM12878、hESC 等细胞系以及三种不同的原代小鼠脑细胞中，该方法获得的三维结构特征（包括 A/B compartment、TAD 和 loop）与 bulk HiCAR 和 in situ Hi-C 高度一致；在长程互作方面，scHiCAR 捕获的互作中约有 48% 距离超过 20 kb，而 现有的单细胞3C技术的捕获的比例仅为 6–10%。在此基础上，研究团队进一步应用 scHiCAR 绘制了小鼠前脑的单细胞三组学图谱，共获得 162 万个细胞的数据，识别出 22 种主要细胞类型，并构建了与 BICCN（美国脑计划）结果高度一致的多组学特征图谱。

      为进一步增强 scHiCAR 在低丰度细胞类型和低测序深度数据中的结构解析能力，团队开发了深度学习算法 scDeepLUCIA。该算法能够在仅约 1000 万条 DNA 互作片段的情况下，稳定识别分辨率高达 5 kb 的染色质环结构。基于该算法，研究进一步鉴定了 20,270 对高分辨率（5kb）高可信度的增强子–靶基因配对；相较于传统的共可及性模型或 ABC 模型，通过scDeepLUCIA鉴定的scHiCAR loop 在预测功能性增强子与其靶基因关系方面表现更为准确，为构建高精度调控网络提供了强有力的工具。

      为了展示该技术在复杂多样的组织中的应用以及单细胞水平的多组学生物学研究中的潜力，团队将 scHiCAR 应用于小鼠肌肉损伤与再生模型。结果显示，在肌肉干细胞分化过程中，转录组、开放染色质与三维基因组呈现出显著的时序协同关系：大多数基因的染色质可及性变化先于基因激活，而三维基因组 A/B 区的动态重塑可能在不同基因上出现提前、同步或滞后的差异。通过这一整合视角，scHiCAR 揭示了肌肉再生过程中基因调控的多样时间模式，为解析细胞命运转变提供了关键证据。

      scHiCAR 提供了真正来自同一个细胞的三组学数据，避免了跨平台的计算拼接误差，为分析复杂组织中的细胞异质性和基因调控网络提供了基础。凭借高通量、低成本和高质量的三维基因组捕获能力，scHiCAR 极大拓宽了三组学技术在组织图谱绘制、细胞命运研究、疾病机制探索和功能性增强子预测中的应用范围。总体来看，该技术将单细胞多组学研究推向了新的精度与规模，代表了该领域的重要里程碑。

作者简介   

      本研究的共同第一作者包括杜克大学医学院的尉晓林与许月园，以及在杜克大学进行访学的韩国 KAIST 的梁东灿（Dongchan Yang）。通讯作者为 KAIST 生物科学系郑仁景（Inkyung Jung）副教授和杜克大学医学院细胞生物学系刁亚锐副教授。

《自然-生物技术》Nature Biotechnology

DOI：10.1038/s41587-026-03013-7

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Trimodal single-cell profiling of transcriptome, epigenome and 3D genome in complex tissues with scHiCAR 

《自然-生物技术》

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