在高等真核生物中，基因組在細(xì)胞核內(nèi)的三維空間構(gòu)象對(duì)細(xì)胞功能至關(guān)重要。例如，增強(qiáng)子常常通過三維空間相互作用對(duì)遠(yuǎn)端目的基因的轉(zhuǎn)錄活性起調(diào)控作用^1-3。三維基因組水平上的異常也被發(fā)現(xiàn)與包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)^4-6。然而，三維基因組與基因表達(dá)的整體關(guān)系仍然存在爭(zhēng)議。例如，通過靶向降解染色質(zhì)空間構(gòu)象的關(guān)鍵調(diào)控蛋白CTCF或cohesin，可以使基因組空間構(gòu)象發(fā)生重大重排，但對(duì)基因表達(dá)卻只造成了較微弱的影響^7-9。在果蠅胚胎中，不同細(xì)胞類型間的基因表達(dá)具有顯著差異，但染色質(zhì)結(jié)構(gòu)差別并不明顯^10,11。因此，想要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)復(fù)雜組織器官和豐富細(xì)胞類型背景下的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)之間的關(guān)系，亟需更有力的工具。

2023年6月9日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）邢棟課題組在Science期刊發(fā)表了題為“Linking genome structures to functions by simultaneous single-cell Hi-C and RNA-seq”的研究論文，報(bào)道了一種新型單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)HiRES（Hi-C and RNA-seq employed simultaneously），首次基于測(cè)序方法實(shí)現(xiàn)了在單細(xì)胞水平對(duì)轉(zhuǎn)錄組和三維基因組的同時(shí)檢測(cè)。

HiRES方法在細(xì)胞群體水平進(jìn)行原位反轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（3C），之后通過流式分選得到單細(xì)胞，再對(duì)每個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行擴(kuò)增后測(cè)序（圖1A）。DNA或RNA讀段通過反轉(zhuǎn)錄過程中引入的RNA識(shí)別序列進(jìn)行區(qū)分，因此該方法不涉及DNA和RNA的物理分離，最大程度地提高了檢測(cè)效率。在小鼠大腦樣品中，平均每個(gè)細(xì)胞可以檢測(cè)到6517個(gè)基因，27,468條轉(zhuǎn)錄本（UMIs）以及317,435個(gè)染色質(zhì)相互作用（圖1B、C）。利用該數(shù)據(jù)，研究人員可以對(duì)單細(xì)胞三維基因組進(jìn)行高分辨率結(jié)構(gòu)重構(gòu)，并可以在三維結(jié)構(gòu)上對(duì)基因表達(dá)水平進(jìn)行觀測(cè)（圖1D、E）。

圖1 HiRES方法能高效檢測(cè)單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和三維基因組（A）HiRES方法流程示意圖。（B）MALBAC-DT和HiRES兩種方法檢測(cè)到的基因和轉(zhuǎn)錄本數(shù)目。（C）Dip-C和HiRES兩種方法檢測(cè)到的染色質(zhì)相互作用數(shù)。（D）示例單細(xì)胞染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)上的染色質(zhì)區(qū)室化情況，可以看到異染色質(zhì)（洋紅色）和常染色質(zhì)（綠色）的分區(qū)。（E）示例單細(xì)胞染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)上的基因表達(dá)情況。球的大小代表表達(dá)量的高低

之后，利用HiRES方法，研究人員繪制了小鼠胚胎自妊娠后7天至11.5天這一時(shí)期共7469個(gè)單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和三維基因組圖譜。通過對(duì)該雙組學(xué)數(shù)據(jù)的分析，該研究在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了探索：

一、不同細(xì)胞類型中細(xì)胞周期對(duì)三維基因組的影響

胚胎發(fā)育時(shí)期的細(xì)胞處在快速增殖的過程中，細(xì)胞周期對(duì)三維基因組的影響不容忽視。該研究利用HiRES的雙模態(tài)數(shù)據(jù)，開發(fā)了一種對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞周期劃分的策略。該策略主要依賴DNA空間相互作用特征、細(xì)胞周期相關(guān)基因表達(dá)以及DNA復(fù)制程度等指標(biāo)，可以將單細(xì)胞分配到不同的細(xì)胞周期狀態(tài)之一（圖2）。

圖2 利用雙組學(xué)特征注釋細(xì)胞周期狀態(tài)。圖中每一列為一個(gè)單細(xì)胞

在胚胎組織中，研究人員發(fā)現(xiàn)根據(jù)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)定義的細(xì)胞類群與細(xì)胞周期狀態(tài)之間的一致性更強(qiáng)，說明與細(xì)胞周期相關(guān)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)總體的染色質(zhì)空間構(gòu)象具有重要影響。在不同的細(xì)胞類型之間，該研究開發(fā)了一種半定量的比較細(xì)胞周期過程中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，并發(fā)現(xiàn)分裂間期細(xì)胞的染色質(zhì)構(gòu)象由兩個(gè)獨(dú)立的過程決定——有絲分裂后染色體的自發(fā)展開和基因組的復(fù)制。對(duì)于G1期較短的細(xì)胞類型，這兩個(gè)過程在時(shí)間上可能重疊，從而共同決定了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞周期動(dòng)態(tài)。

二、不同細(xì)胞類型間的差異染色質(zhì)相互作用與細(xì)胞功能密切相關(guān)

研究不同細(xì)胞類型的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)差異是三維基因組研究的重要問題之一。利用Hi-C技術(shù)尋找差異染色質(zhì)相互作用常常面臨數(shù)據(jù)的稀疏性、高噪音和較少的生物學(xué)重復(fù)等困難。針對(duì)這些問題，該研究設(shè)計(jì)了Simple Diff策略，通過對(duì)兩組重構(gòu)的單細(xì)胞全基因組三維結(jié)構(gòu)中兩點(diǎn)之間的空間距離進(jìn)行非參檢驗(yàn)的方式，可以高效檢測(cè)染色質(zhì)差異相互作用（differential interaction，DI）?；谠摲椒?，研究人員發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的特化在原腸形成時(shí)期就已經(jīng)出現(xiàn)，并且差異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)位點(diǎn)上顯著富集了差異表達(dá)基因，提示染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化與細(xì)胞功能緊密相關(guān)。

在此基礎(chǔ)上，該研究進(jìn)一步利用染色質(zhì)相互作用強(qiáng)度與基因表達(dá)水平的協(xié)同變化，將差異相互作用與其潛在的相關(guān)基因聯(lián)系起來，并將這些與基因表達(dá)顯著相關(guān)的差異相互作用稱為GADI（gene-associated DI）。研究發(fā)現(xiàn)GADI常常將啟動(dòng)子與遠(yuǎn)端的調(diào)控元件（如增強(qiáng)子、超級(jí)增強(qiáng)子）連接起來（圖3）。因此，GADI不僅僅是轉(zhuǎn)錄活動(dòng)的結(jié)果，還包含了許多潛在的增強(qiáng)子-啟動(dòng)子相互作用，這些相互作用很可能是控制細(xì)胞類型特異性基因表達(dá)的基礎(chǔ)。

圖3 連接到Dcc和Dlc1基因的GADI示例

三、發(fā)現(xiàn)廣泛存在的先于基因轉(zhuǎn)錄激活的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重排

在將染色質(zhì)相互作用與特定基因聯(lián)系起來后，該研究進(jìn)一步比較了染色質(zhì)構(gòu)象變化和轉(zhuǎn)錄水平變化在擬時(shí)間序列上的先后關(guān)系，并鑒定了超過4萬個(gè)先于轉(zhuǎn)錄變化的染色質(zhì)相互作用變化。通過對(duì)這些染色質(zhì)空間構(gòu)象變化位點(diǎn)的表觀遺傳學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這種先于轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)構(gòu)象變化主要分為兩類：首先，在大多數(shù)基因位點(diǎn)上，先于基因表達(dá)的染色質(zhì)構(gòu)象重排主要建立在活性染色質(zhì)之間，這可能是增強(qiáng)子的激活所驅(qū)動(dòng)的；其次，對(duì)于一部分位于抑制性染色質(zhì)環(huán)境中的基因，轉(zhuǎn)錄激活前需要出現(xiàn)異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的松弛（圖4）。盡管這兩種過程背后更詳細(xì)的分子機(jī)制有待進(jìn)一步探索，這一結(jié)果強(qiáng)烈地支持了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)廣泛參與基因表達(dá)調(diào)控的觀點(diǎn)。

圖4 轉(zhuǎn)錄激活前發(fā)生的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重構(gòu)的示意圖

北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心、生命科學(xué)學(xué)院博士生劉致遠(yuǎn)、陳玉潔、夏啟旻為該論文的共同第一作者，邢棟為該論文通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金、北京大學(xué)“臨床醫(yī)學(xué)+X-青年學(xué)者項(xiàng)目”和北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的資助，以及北京大學(xué)高通量測(cè)序平臺(tái)的協(xié)助與支持。

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來源： 生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心