在高等真核生物中，基因組在細胞核內(nèi)的三維空間構象對細胞功能至關重要。例如，增強子常常通過三維空間相互作用對遠端目的基因的轉錄活性起調(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^4-6。然而，三維基因組與基因表達的整體關系仍然存在爭議。例如，通過靶向降解染色質(zhì)空間構象的關鍵調(diào)控蛋白CTCF或cohesin，可以使基因組空間構象發(fā)生重大重排，但對基因表達卻只造成了較微弱的影響^7-9。在果蠅胚胎中，不同細胞類型間的基因表達具有顯著差異，但染色質(zhì)結構差別并不明顯^10,11。因此，想要進一步認識復雜組織器官和豐富細胞類型背景下的染色質(zhì)三維結構和基因表達之間的關系，亟需更有力的工具。

2023年6月9日，北京大學生物醫(yī)學前沿創(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，報道了一種新型單細胞多組學技術HiRES（Hi-C and RNA-seq employed simultaneously），首次基于測序方法實現(xiàn)了在單細胞水平對轉錄組和三維基因組的同時檢測。

HiRES方法在細胞群體水平進行原位反轉錄和染色質(zhì)構象捕獲（3C），之后通過流式分選得到單細胞，再對每個單細胞進行擴增后測序（圖1A）。DNA或RNA讀段通過反轉錄過程中引入的RNA識別序列進行區(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效率。在小鼠大腦樣品中，平均每個細胞可以檢測到6517個基因，27,468條轉錄本（UMIs）以及317,435個染色質(zhì)相互作用（圖1B、C）。利用該數(shù)據(jù)，研究人員可以對單細胞三維基因組進行高分辨率結構重構，并可以在三維結構上對基因表達水平進行觀測（圖1D、E）。

圖1 HiRES方法能高效檢測單細胞的轉錄組和三維基因組（A）HiRES方法流程示意圖。（B）MALBAC-DT和HiRES兩種方法檢測到的基因和轉錄本數(shù)目。（C）Dip-C和HiRES兩種方法檢測到的染色質(zhì)相互作用數(shù)。（D）示例單細胞染色質(zhì)三維結構上的染色質(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）示例單細胞染色質(zhì)三維結構上的基因表達情況。球的大小代表表達量的高低

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天這一時期共7469個單細胞的轉錄組和三維基因組圖譜。通過對該雙組學數(shù)據(jù)的分析，該研究在以下幾個方面進行了探索：

一、不同細胞類型中細胞周期對三維基因組的影響

胚胎發(fā)育時期的細胞處在快速增殖的過程中，細胞周期對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)了一種對單細胞進行細胞周期劃分的策略。該策略主要依賴DNA空間相互作用特征、細胞周期相關基因表達以及DNA復制程度等指標，可以將單細胞分配到不同的細胞周期狀態(tài)之一（圖2）。

圖2 利用雙組學特征注釋細胞周期狀態(tài)。圖中每一列為一個單細胞

在胚胎組織中，研究人員發(fā)現(xiàn)根據(jù)染色質(zhì)結構定義的細胞類群與細胞周期狀態(tài)之間的一致性更強，說明與細胞周期相關的染色質(zhì)結構變化對總體的染色質(zhì)空間構象具有重要影響。在不同的細胞類型之間，該研究開發(fā)了一種半定量的比較細胞周期過程中染色質(zhì)結構的方法，并發(fā)現(xiàn)分裂間期細胞的染色質(zhì)構象由兩個獨立的過程決定——有絲分裂后染色體的自發(fā)展開和基因組的復制。對于G1期較短的細胞類型，這兩個過程在時間上可能重疊，從而共同決定了染色質(zhì)三維結構的細胞周期動態(tài)。

二、不同細胞類型間的差異染色質(zhì)相互作用與細胞功能密切相關

研究不同細胞類型的染色質(zhì)結構差異是三維基因組研究的重要問題之一。利用Hi-C技術尋找差異染色質(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重復等困難。針對這些問題，該研究設計了Simple Diff策略，通過對兩組重構的單細胞全基因組三維結構中兩點之間的空間距離進行非參檢驗的方式，可以高效檢測染色質(zhì)差異相互作用（differential interaction，DI）。基于該方法，研究人員發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)結構的特化在原腸形成時期就已經(jīng)出現(xiàn)，并且差異染色質(zhì)結構位點上顯著富集了差異表達基因，提示染色質(zhì)結構變化與細胞功能緊密相關。

在此基礎上，該研究進一步利用染色質(zhì)相互作用強度與基因表達水平的協(xié)同變化，將差異相互作用與其潛在的相關基因聯(lián)系起來，并將這些與基因表達顯著相關的差異相互作用稱為GADI（gene-associated DI）。研究發(fā)現(xiàn)GADI常常將啟動子與遠端的調(diào)控元件（如增強子、超級增強子）連接起來（圖3）。因此，GADI不僅僅是轉錄活動的結果，還包含了許多潛在的增強子-啟動子相互作用，這些相互作用很可能是控制細胞類型特異性基因表達的基礎。

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錄激活的染色質(zhì)結構重排

在將染色質(zhì)相互作用與特定基因聯(lián)系起來后，該研究進一步比較了染色質(zhì)構象變化和轉錄水平變化在擬時間序列上的先后關系，并鑒定了超過4萬個先于轉錄變化的染色質(zhì)相互作用變化。通過對這些染色質(zhì)空間構象變化位點的表觀遺傳學分析，發(fā)現(xiàn)這種先于轉錄的染色質(zhì)構象變化主要分為兩類：首先，在大多數(shù)基因位點上，先于基因表達的染色質(zhì)構象重排主要建立在活性染色質(zhì)之間，這可能是增強子的激活所驅動的；其次，對于一部分位于抑制性染色質(zhì)環(huán)境中的基因，轉錄激活前需要出現(xiàn)異染色質(zhì)結構的松弛（圖4）。盡管這兩種過程背后更詳細的分子機制有待進一步探索，這一結果強烈地支持了染色質(zhì)三維結構廣泛參與基因表達調(diào)控的觀點。

圖4 轉錄激活前發(fā)生的染色質(zhì)結構重構的示意圖

北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心、生命科學學院博士生劉致遠、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、國家自然科學基金、北京大學“臨床醫(yī)學+X-青年學者項目”和北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的資助，以及北京大學高通量測序平臺的協(xié)助與支持。

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來源：北京大學