利用單細(xì)胞質(zhì)譜技術(shù),來自斯坦福大學(xué)的Paul Utz, Purvesh Khatri, Alex Kuo課題組合作發(fā)現(xiàn),染色質(zhì)信號可以用于預(yù)測免疫細(xì)胞的細(xì)胞身份(cell identity);在衰老過程中,個體間與細(xì)胞間的染色質(zhì)信號的異質(zhì)性增加;通過對雙胞胎的研究發(fā)現(xiàn),衰老過程中的染色質(zhì)信號異質(zhì)性主要由環(huán)境因素(而遺傳因素)導(dǎo)致(圖1)。該研究發(fā)表在Cell上。 全文鏈接: https:///10.1016/j.cell.2018.03.079 圖 1單細(xì)胞質(zhì)譜:免疫細(xì)胞與衰老過程的表觀遺傳學(xué)變化 真核生物的DNA纏繞著組蛋白八聚體,而組蛋白上發(fā)生的多種化學(xué)修飾,以及多種組蛋白變體,可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)、招募不同的識別蛋白,進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)、DNA修復(fù)、DNA復(fù)制等過程。
對這些表觀遺傳學(xué)信號進(jìn)行研究的手段多種多樣,如ChIP-seq可以研究組蛋白修飾、組蛋白變體或轉(zhuǎn)錄因子在整個基因組上的分布位置,但一次只能研究一種蛋白或修飾。而質(zhì)譜則可以同時研究多種組蛋白修飾、組蛋白變體等的豐度。在免疫細(xì)胞分化過程中,以及衰老過程中,利用質(zhì)譜對表觀遺傳學(xué)信號的動態(tài)豐度進(jìn)行研究,有助于我們發(fā)掘這些過程中關(guān)鍵的表觀遺傳學(xué)信號。 一、技術(shù)說明 常規(guī)的質(zhì)譜打組蛋白修飾的變化,一般至少需要1萬個細(xì)胞。而本文卻可在單細(xì)胞層面進(jìn)行研究。這得益于他們開發(fā)的EpiTOF技術(shù)(epigenetic landscape profiling using cytometry by time-of-flight)。簡而言之,該技術(shù)首先用抗體增加靈敏度,然后又用重金屬標(biāo)記抗體,將細(xì)胞氣化后留下金屬離子,用TOF質(zhì)譜打重金屬(而非肽段),進(jìn)一步增加了靈敏度,從而做到了單細(xì)胞分辨率。
技術(shù)細(xì)節(jié): (1)將70種抗體(包括22類免疫細(xì)胞的表面marker抗體,8類組蛋白修飾的抗體,4種組蛋白變體的抗體)都標(biāo)記上鑭系元素同位素(可能因為鑭系元素有非常多的同位素,可以同時標(biāo)記很多種抗體;它們擁有相似的化學(xué)性質(zhì),標(biāo)記抗體的能力相似;并且它可能更容易耦合抗體)。 (2)將細(xì)胞與重金屬同位素標(biāo)記的多種抗體共同孵育,洗去非特異結(jié)合抗體。 (3)將單細(xì)胞用電感耦合等離子體氣化,只留下金屬離子,并過濾留下100Da以上的重金屬離子,進(jìn)入飛行時間質(zhì)譜儀(TOF-MS)。 (4)利用離子在電場中的飛行時間,計算質(zhì)荷比(m/z),從而分析出每個細(xì)胞的鑭系元素離子的類型、豐度,進(jìn)而得知細(xì)胞類型(通過免疫細(xì)胞的表面marker抗體),以及組蛋白修飾和組蛋白變體的豐度。
質(zhì)譜流程圖見圖2。 圖 2 質(zhì)譜流程圖 (圖片來自bitesizebio.com)
在抗體選擇上,研究者檢測了150多種chromatin marks的抗體的特異性,用RNAi敲低或CRISPR敲除表觀遺傳修飾的酶,或者用小分子藥物抑制表觀遺傳修飾酶的活性,然后用流式細(xì)胞術(shù)檢測組蛋白修飾的抗體的特異性,最終得到了40種特異的組蛋白修飾(圖3C),將其加上鑭系元素同位素標(biāo)記做EpiTOF。研究者還用組蛋白H3的核心體抗體,以及H4 tail抗體作為背景對照。此外又用22類免疫細(xì)胞的表面marker抗體做細(xì)胞分型。共使用70種抗體。(文末附好用抗體列表。) 二、健康人免疫細(xì)胞的表觀遺傳學(xué)特征 研究者選取了24位健康人(CMV陰性)的外周血單核細(xì)胞,分為兩組作為生物學(xué)重復(fù),每組有25歲以下的3男3女,和65歲以上的3男3女。兩組的人口統(tǒng)計學(xué)特征相同。對他們的免疫細(xì)胞經(jīng)過EpiTOF分析,可以看到不同類型的免疫細(xì)胞具有不同的表觀遺傳學(xué)特征(圖3C)。
首先,髓系和淋系免疫細(xì)胞擁有很大的差異。髓系CD14+單核細(xì)胞的大部分染色質(zhì)修飾的水平都比淋系高,尤其是cleaved H3 Thr22(H3尾巴可在Thr22處被酶切,切掉前21個氨基酸,快速去除組蛋白修飾)和蛋白質(zhì)精氨酸脫亞氨酶PADI4(催化組蛋白精氨酸脫亞氨化/瓜氨酸化,調(diào)控干細(xì)胞多能性)。而淋系免疫細(xì)胞擁有更高的H3.3和H3K27me3水平。
在淋系免疫細(xì)胞中,CD4+T細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞的染色質(zhì)修飾很相似。而NK細(xì)胞的絕大部分染色質(zhì)修飾都很低。
在個體差異的分析中,雖然個體的基因背景差異很大,但染色質(zhì)修飾的個體差異不大(通過Inverse Simpson’s Diversity Index計算)。其中個體差異最大的是H3K14ac,cleaved H3 Thr22和H2A.Z。個體差異最小的是macroH2A,PADI4,H2BK120ub。 (個體差異較大可能因為基因背景,生活環(huán)境與生活方式等的差異,也可能因為該修飾本身不穩(wěn)定。而個體差異小則可能因為該修飾是組成型存在的,在不同個體中被穩(wěn)定地調(diào)控,也許有穩(wěn)定的調(diào)控作用。)
為驗證EpiTOF的結(jié)果,研究者用FACS分選出單核細(xì)胞,B細(xì)胞,T細(xì)胞進(jìn)行western blot,發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)修飾的水平差異與EpiTOF相符(圖3D)。
圖 3 各類型免疫細(xì)胞的染色質(zhì)修飾譜 | PBMC:外周血單核細(xì)胞(髓系);CLPs:共同淋巴祖細(xì)胞;CMPs:共同髓系祖細(xì)胞。
值得注意的是,T細(xì)胞和B細(xì)胞(淋系)的H3K27me3水平高于髓系單核細(xì)胞,研究者又分析了Corces et al., 2016的RNA-seq結(jié)果[1],發(fā)現(xiàn)共同淋巴祖細(xì)胞的EZH1和EZH2(催化產(chǎn)生H3K27me3,參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控)水平高于共同髓系祖細(xì)胞。結(jié)合ChIP-seq與RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)H3K27me3淋系比髓系高的基因,表達(dá)水平淋系低于髓系。這個發(fā)現(xiàn)支持了H3K27me3參與調(diào)控造血干細(xì)胞向髓系與淋系不同方向分化的假說,H3K27me3的差別在淋系與髓系祖細(xì)胞中就已出現(xiàn)。 三、用染色質(zhì)修飾模式預(yù)測免疫細(xì)胞的細(xì)胞身份 我們常說各種表觀遺傳學(xué)信號組成了“表觀遺傳學(xué)風(fēng)貌(Epigenetic landscape)”,參與決定細(xì)胞命運。那么用本文中的40種染色質(zhì)修飾信號,能否區(qū)分出免疫細(xì)胞的細(xì)胞身份(cell identity)呢?
下面,研究者將40種染色質(zhì)修飾平均分成兩個panel(圖3B),用主成分分析(PCA, Principal Component Analysis)算法,將每個panel的20種染色質(zhì)修飾的數(shù)據(jù)降維成3維信息。這里可以簡單理解成,20種染色質(zhì)修飾的數(shù)據(jù)是一個20維的圖形,但我們是沒法看到20維的圖形的,所以就尋找它的3維投影,看哪個投影可以最大程度地把各個點區(qū)分開,最大程度地減少失真。最后得到的3維投影的XYZ軸,是20種染色質(zhì)修飾數(shù)據(jù)的3個不同的線性函數(shù)。這三個函數(shù)可以最大程度地區(qū)分各個樣品,提取其主要特征。雖然失真不可避免,但由于提取了主要特征,便于后面的計算和分析。
PCA結(jié)果見圖4A,上下圖是兩個不同的panel的染色質(zhì)修飾的結(jié)果。在圖中,我們可以看哪些點聚集到了一起,這些點是否具有某些共同的性質(zhì)??梢钥吹?,不同類型的免疫細(xì)胞被很好地區(qū)分開了,同類細(xì)胞聚到了一起。其中骨髓來源的單核細(xì)胞與淋系免疫細(xì)胞區(qū)別很大。此外,兩個panel的染色質(zhì)修飾均有較好的區(qū)分度(圖4B,4C。AUC越接近1,區(qū)分度越好)。24個個體分成的2個生物學(xué)重復(fù),也具有很好的重復(fù)性(圖4B,4C)。
圖 4 染色質(zhì)修飾可以用于預(yù)測免疫細(xì)胞的細(xì)胞身份 | (A)上下為兩個panel的各20個染色質(zhì)修飾的PCA結(jié)果。左圖為PCA計算后的三維圖,每個點是一個細(xì)胞,右圖為不同類細(xì)胞的染色質(zhì)修飾差異,單核細(xì)胞與其它細(xì)胞有較大差異。(B)用第一組個體計算的AUC,兩個panel的染色質(zhì)修飾均可很好地區(qū)分細(xì)胞身份。(C)用第二組個體的數(shù)據(jù)驗證第一組個體的PCA函數(shù)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞身份的區(qū)分度也很好,說明重復(fù)性好,該P(yáng)CA函數(shù)可用于預(yù)測細(xì)胞身份。
如果再多看一些細(xì)節(jié),研究者發(fā)現(xiàn)T細(xì)胞的各個亞群也擁有不同的組蛋白修飾特征(圖5A,5B,5C)。 表達(dá)αβ TCR的T細(xì)胞與表達(dá)γδ TCR的T細(xì)胞擁有不同的組蛋白修飾譜(圖5A左)。 Na?ve T細(xì)胞被聚成了一類,而效應(yīng)T細(xì)胞和記憶T細(xì)胞則與na?ve T細(xì)胞有很大差別(圖5A,5B)。 記憶T細(xì)胞有更多的活躍修飾,如H3S10ph, H3K27me1, H3K36me1,以及更低的異染色質(zhì)修飾水平。說明記憶T細(xì)胞可能有更開放的染色質(zhì)環(huán)境(圖5B)。 與總的CD4+T細(xì)胞相比,Treg細(xì)胞有更高的H3K27me1和H3K27ac,更低的H3K27me3。這也支持了前人研究發(fā)現(xiàn)的H3K27修飾對Treg細(xì)胞功能的重要作用[2](圖5C)。
而NK細(xì)胞的兩個亞群也擁有不同的染色質(zhì)修飾模式(圖5D,5E)。 NK細(xì)胞可用CD56分為兩類,一類是主要發(fā)揮細(xì)胞殺傷作用的CD56dim NK細(xì)胞,約占90%。另一類是主要分泌細(xì)胞因子的CD56bright NK細(xì)胞。研究者發(fā)現(xiàn),用染色質(zhì)修飾同樣可以把NK細(xì)胞分為兩類,并且與CD56的分類相符(圖5D)。兩類NK細(xì)胞的具體的染色質(zhì)修飾的差別見圖5E。 圖 5 T細(xì)胞和NK細(xì)胞的不同功能亞群具有不同的染色質(zhì)修飾譜 | (A)不同T細(xì)胞亞群的染色質(zhì)修飾譜,最左邊是聚類情況,右邊是熱圖,顏色越紅水平越高,點越大,個體差異越小。(D)CD56分類的兩個NK細(xì)胞亞群擁有不同的染色質(zhì)修飾譜,圖中每個點是一個NK細(xì)胞,按CD16和CD56分為左上角和右下角兩類,顏色表示染色質(zhì)修飾降維成PC1的強(qiáng)度,可以看到和CD56,CD16分類的情況相符。
以上研究證明了染色質(zhì)修飾可以很好地區(qū)分免疫細(xì)胞的細(xì)胞身份,支持了業(yè)界長久以來的認(rèn)識。同時也為免疫細(xì)胞的功能與表觀遺傳學(xué)調(diào)控間的關(guān)系提供了研究基礎(chǔ)。 四、衰老過程中染色質(zhì)修飾的細(xì)胞間與及個體間差異增大 首先,研究者發(fā)現(xiàn)衰老個體的造血輸出減少,免疫細(xì)胞功能受損,CD45RO+記憶T細(xì)胞增多,這與前人的研究相符[3]。然后,對65歲以上老人和25歲以下年輕人各12人的20種免疫細(xì)胞的40種染色質(zhì)修飾進(jìn)行分析(圖6A),利用PCA算法降成2維,可以代表72.7%的數(shù)據(jù)差異,可以將年輕人與老年人的特征分開,而不同性別則沒有明顯差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn),年輕人染色質(zhì)修飾的個體間差異更小,而老年人的染色質(zhì)修飾譜則非常離散,個體間差異很大(圖6B)。但兩者的組蛋白H3和H4的水平并無明顯區(qū)別,主要是修飾的區(qū)別。
將對比老年人和年輕人的各類型的免疫細(xì)胞,染色質(zhì)修飾也有很大差異(圖6C)。可以看到,老年人的大部分類型的免疫細(xì)胞,大部分染色質(zhì)修飾都均多于年輕人。但CD45RO+CD197+中央記憶CD8+T細(xì)胞是個例外。它的絕大部分組蛋白修飾都低于年輕人(圖6C),這是由于其組蛋白H3和H4水平降低。 圖 6 老年人免疫細(xì)胞染色質(zhì)修飾的個體間差異更大
如果對比老年人和年輕人的染色質(zhì)修飾的細(xì)胞間差異,可以看到老年人的細(xì)胞間差異更大(圖7A)。 其中,在衰老后,由PRC1,PRC2介導(dǎo)的組蛋白修飾(H3K27me3,H3K27me2,H2AK119ub)的細(xì)胞間差異最大(圖7B)。 那么衰老前后的染色質(zhì)修飾與轉(zhuǎn)錄水平有何關(guān)系呢?研究者尚未進(jìn)行人的單細(xì)胞RNA-seq,于是他們分析了前人做的年輕和衰老的小鼠的na?ve CD4+T細(xì)胞的ChIP-seq和單細(xì)胞RNA-seq結(jié)果[4],發(fā)現(xiàn)H3K27me3標(biāo)記的基因在衰老后有更大的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性,而H3K4me3標(biāo)記的基因則沒有。 圖 7 衰老后染色質(zhì)修飾的細(xì)胞間差異增大
這些數(shù)據(jù)提示,在衰老后,染色質(zhì)修飾的噪音/異質(zhì)性的上升(尤其是PRC介導(dǎo)的H3K27me3),將導(dǎo)致細(xì)胞間染色質(zhì)狀態(tài)的差異與轉(zhuǎn)錄噪音的增加。
五、衰老后的染色質(zhì)信號差異增大,主要受環(huán)境因素(非遺傳因素)影響 為了研究衰老后的染色質(zhì)修飾譜變化,到底更受遺傳因素還是非遺傳因素影響,研究者選取了9對同卵雙胞胎(基因組100%相同)和10對異卵雙胞胎(基因組50%相同)進(jìn)行研究(圖8A),并且對比隨機(jī)選取的非雙胞胎個體對的數(shù)據(jù),檢測雙胞胎與非雙胞胎在衰老后的變化有無差異。
首先,與上文的研究相符,年老的雙胞胎也有更高的染色質(zhì)修飾異質(zhì)性,并且中央記憶CD8+T細(xì)胞的染色質(zhì)修飾水平在衰老后下降。
利用經(jīng)典ACE模型[5]分析遺傳因素對衰老后各類型細(xì)胞的染色質(zhì)修飾差異的影響,發(fā)現(xiàn)遺傳因素只能解釋30%的差異,而非遺傳因素可以解釋70%(圖8B)。
根據(jù)PCA分析,年輕的雙胞胎的染色質(zhì)修飾譜更接近(雙胞胎組內(nèi)與組間個體都很接近)。而年老雙胞胎的個體間差異增大(雙胞胎組內(nèi)與組間個體的差異都很大)(圖8C)。
對比雙胞胎與非雙胞胎的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)無論是否是雙胞胎,染色質(zhì)修飾譜的異質(zhì)性都會在衰老后增大,提示衰老后的異質(zhì)性增大可能更受非遺傳因素影響(圖8D)。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),年輕個體的染色質(zhì)修飾譜的異質(zhì)性,同卵雙胞胎 < 異卵雙胞胎=""><>(圖8E上),表明年輕時的染色質(zhì)修飾譜可能更受上一代給予的遺傳信息(包括遺傳學(xué)或表觀遺傳學(xué)信息)的影響。 而年老個體,無論是同卵雙胞胎、異卵雙胞胎,還是非雙胞胎,其染色質(zhì)修飾譜的異質(zhì)性都差不多大(圖8E下),表明衰老后的染色質(zhì)修飾譜可能更受非遺傳因素影響(包括環(huán)境因素,及體細(xì)胞突變影響) 為了進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)論,研究者對同卵雙胞胎進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)盡管同卵的兩個雙胞胎從上一代獲得的遺傳信息相同,大部分染色質(zhì)修飾(32/40)都是只在年輕的雙胞胎中相似,而年老后異質(zhì)性增加。這進(jìn)一步說明了衰老后的染色質(zhì)修飾異質(zhì)性增加主要由非遺傳因素影響。 圖 8 非遺傳因素可以解釋衰老前后大部分的染色質(zhì)修飾譜的差異 | (B)大部分的染色質(zhì)修飾的差異受非遺傳因素影響。橫軸為20種免疫細(xì)胞,縱軸為40種染色質(zhì)修飾(按受遺傳因素影響從強(qiáng)到弱排序),顏色表示可以解釋遺傳或非遺傳因素可以解釋的染色質(zhì)修飾差異的程度,70%的深色的點都是非遺傳因素影響的。(C)年輕與年老的雙胞胎的染色質(zhì)修飾的PCA分析,年老的雙胞胎個體間差異更大。(D)和(E)是每對雙胞胎內(nèi),或隨機(jī)配對的兩個個體間的染色質(zhì)修飾的個體差異。(F)是每對同卵雙胞胎的兩個個體間,年輕VS年老個體的染色質(zhì)修飾的相關(guān)性。每個點是一種染色質(zhì)修飾。大部分的點在左上角,說明大部分的染色質(zhì)修飾都是在年輕的雙胞胎中更相似,到了年老就不相似了。 延伸思考
好用的抗體列表 參考文獻(xiàn) [1] CORCES M R, BUENROSTRO J D, WU B, et al. Lineage-specific and single-cell chromatin accessibility charts human hematopoiesis and leukemia evolution[J]. Nat Genet, 2016,48(10):1193-1203. [2] LI Q, ZOU J, WANG M, et al. Critical role of histone demethylase Jmjd3 in the regulation of CD4+ T-cell differentiation[J]. Nat Commun, 2014,5:5780. [3] WERTHEIMER A M, BENNETT M S, PARK B, et al. Aging and cytomegalovirus infection differentially and jointly affect distinct circulating T cell subsets in humans[J]. J Immunol, 2014,192(5):2143-2155. [4] MARTINEZ-JIMENEZ C P, ELING N, CHEN H C, et al. Aging increases cell-to-cell transcriptional variability upon immune stimulation[J]. Science, 2017,355(6332):1433-1436. [5] RIJSDIJK F V, SHAM P C. Analytic approaches to twin data using structural equation models[J]. Brief Bioinform, 2002,3(2):119-133. ![]() ![]() |
|