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Nat Methods:scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù):可精準(zhǔn)檢測(cè)單細(xì)胞基因組復(fù)雜區(qū)域的染色質(zhì)修飾

 子孫滿堂康復(fù)師 2024-10-13

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的核心分子,能夠精確調(diào)控細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的生命過程。很多重要的蛋白質(zhì)(例如:共價(jià)修飾后的組蛋白和轉(zhuǎn)錄因子等)通過與基因組DNA相互作用,調(diào)控了細(xì)胞的表觀遺傳狀態(tài),進(jìn)而影響基因的轉(zhuǎn)錄活性和表達(dá)模式。大量研究表明,表觀遺傳修飾狀態(tài)的變化與胚胎發(fā)育、癌癥以及其他多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)。因此,精準(zhǔn)解析蛋白質(zhì)-DNA的相互作用對(duì)于深入理解表觀遺傳修飾對(duì)于發(fā)育、癌癥以及其他疾病的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制至關(guān)重要。

近年來隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序技術(shù)(ChIP-seq)已經(jīng)成為研究蛋白質(zhì)-DNA相互作用的“金標(biāo)準(zhǔn)”。然而,傳統(tǒng)的ChIP-seq技術(shù)具有很多局限性,包括需要大量的起始細(xì)胞、重復(fù)性較差、信噪比低、成本高等問題。2015年,首個(gè)單細(xì)胞ChIP-seq技術(shù)scDrop-ChIP問世,但scDrop-ChIP在單個(gè)細(xì)胞中捕獲的組蛋白修飾信號(hào)非常稀疏,限制了其應(yīng)用潛力。隨后,基于Tn5轉(zhuǎn)座酶的一系列單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)被開發(fā)出來,包括CoBATCH、CUT&Tag、Paired-Tag、scCUT&Tag等。

盡管這些技術(shù)在單細(xì)胞分辨率下探索染色質(zhì)修飾方面的性能表現(xiàn)出色,但它們都是基于二代測(cè)序(Next-generation sequencing, NGS)平臺(tái)。由于二代測(cè)序的讀段較短(通常為單端150bp, 雙端300bp),對(duì)于檢測(cè)基因組復(fù)雜區(qū)域的染色質(zhì)修飾等表觀基因組信息存在明顯的局限性,尤其是基因組中的重復(fù)序列區(qū)域(在人類基因組中占52%,約1.56 Gb;在小鼠基因組中占45%,約1.2Gb)、“黑名單”區(qū)域(在人類基因組中占 3.0%,約91 Mb(不包括著絲粒區(qū)域和 rDNA 區(qū)域);在小鼠基因組中占 7.0%,約191 Mb)以及基因組結(jié)構(gòu)變異區(qū)域(如長(zhǎng)片段插入或缺失、串聯(lián)重復(fù)、染色體易位和倒位事件發(fā)生的區(qū)域等)。這些基因組復(fù)雜區(qū)域的可比對(duì)性(Mappability,即測(cè)序數(shù)據(jù)與參考基因組比對(duì)的準(zhǔn)確性和唯一性)非常低,導(dǎo)致短讀段測(cè)序數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確定位到參考基因組中。

目前,在基于二代測(cè)序平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析中,通常只能將重復(fù)序列的亞家族作為一個(gè)整體進(jìn)行分析,常常無法對(duì)基因組中特定的單個(gè)拷貝的重復(fù)序列進(jìn)行精準(zhǔn)分析。此外,對(duì)于基因組“黑名單”區(qū)域,由于這些區(qū)域在基于二代短讀段測(cè)序平臺(tái)的表觀遺傳修飾測(cè)序數(shù)據(jù)中通常顯示出異常高的信號(hào),并且與實(shí)驗(yàn)樣本類型和處理?xiàng)l件等無關(guān),因此在數(shù)據(jù)分析時(shí),研究人員通常直接將其排除以減少引入的顯著噪音。這導(dǎo)致這些區(qū)域的表觀遺傳修飾狀態(tài)目前依然是未知的。因此,基于二代測(cè)序平臺(tái)來解析基因組復(fù)雜區(qū)域的染色質(zhì)修飾狀態(tài)仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

基于二代測(cè)序平臺(tái)檢測(cè)方法的另一個(gè)主要局限在于無法在單細(xì)胞水平上直接檢測(cè)同一條DNA分子上相鄰調(diào)控元件(例如相鄰的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子)是否存在相同組蛋白修飾或相同轉(zhuǎn)錄因子的共占位事件。此外,短讀段也限制了其對(duì)染色質(zhì)修飾進(jìn)行單倍型分析的能力,而單倍型分析對(duì)于探究二倍體細(xì)胞中等位基因上調(diào)控元件間的相互作用及深入理解等位基因異質(zhì)性至關(guān)重要。近年來,幾種基于長(zhǎng)讀段的表觀基因組測(cè)序技術(shù)被開發(fā)出來,包括Nanopore-DamID和DiMelo-seq,它們有助于解析基因組復(fù)雜區(qū)域的蛋白質(zhì)-DNA相互作用。然而,這些技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分辨率,仍然局限于大量起始細(xì)胞的樣本,難以應(yīng)用于研究細(xì)胞群體內(nèi)部的異質(zhì)性。

2024年10月7日,北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心湯富酬課題組在Nature Methods上發(fā)表了題為scNanoSeq-CUT&Tag: a single-cell long-read CUT&Tag sequencing method for efficient chromatin modification profiling within individual cells的研究文章。該研究在國(guó)際上率先開發(fā)了一種基于單分子長(zhǎng)讀段測(cè)序平臺(tái)(a single-molecule sequencing platform,SMS)、在單細(xì)胞分辨率研究蛋白質(zhì)-DNA相互作用的新方法,稱為scNanoSeq-CUT&Tag。使用scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù),該研究對(duì)體外培養(yǎng)的六種有代表性的人類細(xì)胞系和小鼠體內(nèi)的外周血單核細(xì)胞以及睪丸組織進(jìn)行了系統(tǒng)分析,結(jié)果證明該方法可以精準(zhǔn)解析單個(gè)細(xì)胞內(nèi)染色質(zhì)修飾等表觀遺傳信息,包括組蛋白共價(jià)修飾以及轉(zhuǎn)錄因子在基因組中的結(jié)合分布模式。尤為重要的是,該方法在解析基因組中每個(gè)拷貝的重復(fù)序列以及“黑名單”區(qū)域的染色質(zhì)修飾方面,展現(xiàn)出卓越的性能,填補(bǔ)了二代測(cè)序數(shù)據(jù)在基因組復(fù)雜區(qū)域研究中的空白。

該設(shè)計(jì)圖的靈感源自中國(guó)古典名著《西游記》中的孫悟空,他擁有神通廣大的力量和超凡的智慧。他的兩大法寶—火眼金睛與如意金箍棒,使他能夠洞察萬物的真相,破解隱藏在黑暗中的重重難題。設(shè)計(jì)圖清晰展示了長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序與短讀長(zhǎng)測(cè)序在比對(duì)能力上的差異,突顯了長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序通過識(shí)別重復(fù)元件兩側(cè)的特異性序列,能夠在單拷貝分辨率下精準(zhǔn)區(qū)分序列高度相似甚至完全相同的重復(fù)元件的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)(Credit: Nature Methods

該研究深入分析了五種組蛋白共價(jià)修飾(H3K4me3、H3K27ac、H3K36me3、H3K27me3、H3K9me3)以及兩種染色質(zhì)結(jié)合蛋白(CTCF 和 RAD21)的基因組分布模式。這七種染色質(zhì)標(biāo)記代表了基因組中不同的表觀遺傳修飾信號(hào),分別反映了染色質(zhì)的特定狀態(tài)和功能,在基因表達(dá)調(diào)控、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)維護(hù)以及細(xì)胞功能調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。H3K4me3主要標(biāo)記活躍轉(zhuǎn)錄基因的啟動(dòng)子區(qū)域,標(biāo)志著基因的激活狀態(tài);H3K27ac主要富集在活躍的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子區(qū)域,與基因的活躍轉(zhuǎn)錄相關(guān);H3K36me3主要分布在基因體區(qū)域,與基因的轉(zhuǎn)錄延伸過程相關(guān),有助于維持基因表達(dá)的穩(wěn)定性;H3K27me3和H3K9me3是抑制性染色質(zhì)標(biāo)記,其中H3K27me3主要富集在基因的啟動(dòng)子區(qū)域,參與基因沉默的調(diào)控,而H3K9me3則主要參與異染色質(zhì)的形成和維持,抑制重復(fù)序列的轉(zhuǎn)錄活性,維持基因組的穩(wěn)定性。CTCF和RAD21, 是調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子。CTCF是一種廣譜轉(zhuǎn)錄因子,作為染色質(zhì)絕緣子結(jié)合蛋白,幫助劃分基因表達(dá)區(qū)域,參與調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄激活和抑制、基因印記、X染色體失活等過程;而RAD21是黏連蛋白復(fù)合體(Cohesin complex)的主要亞基之一,與CTCF協(xié)同介導(dǎo)染色質(zhì)環(huán)(Chromatin loop)的形成,通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)來調(diào)控基因的時(shí)空表達(dá)。對(duì)于這些組蛋白共價(jià)修飾以及染色質(zhì)結(jié)合蛋白分布模式的綜合分析,為我們深入理解基因組的表觀遺傳調(diào)控提供了全面視角。

在實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)上,scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)將CUT&Tag技術(shù)與單分子測(cè)序技術(shù)有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了在單細(xì)胞水平對(duì)染色質(zhì)修飾的精準(zhǔn)檢測(cè)。與傳統(tǒng)的二代測(cè)序方法依賴具有兩個(gè)不同接頭序列的Tn5轉(zhuǎn)座酶進(jìn)行文庫構(gòu)建的方式不同,該研究采用了雙端具有相同接頭的Tn5轉(zhuǎn)座酶。這一改進(jìn)使得scNanoSeq-CUT&Tag方法不僅可以減少對(duì)DNA短片段的擴(kuò)增,而且理論上可以通過PCR擴(kuò)增獲得基因組中所有長(zhǎng)片段DNA。相比之下,二代測(cè)序方法只能獲得基因組中所有DNA片段中的50%左右。此外,在PCR擴(kuò)增步驟中,該研究設(shè)計(jì)了96種內(nèi)側(cè)細(xì)胞條形碼和96種外側(cè)細(xì)胞條形碼。通過這種組合條形碼策略, scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)可以靈活地控制每次上機(jī)的測(cè)序通量,在單次實(shí)驗(yàn)中可以靈活地對(duì)幾個(gè)單細(xì)胞到上萬個(gè)(96 x 96 = 9,216)單細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序,可以顯著降低每個(gè)細(xì)胞的測(cè)序成本。與現(xiàn)有方法相比,scNanoSeq-CUT&Tag具有更大的適用范圍。由于scNanoSeq-CUT&Tag基于96孔板操作,無需依賴如10 x Genomics或CELL8系統(tǒng)等復(fù)雜的微流控系統(tǒng)進(jìn)行單細(xì)胞分離和條形碼標(biāo)記,因此scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)可以在大多數(shù)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用。

在基于二代短讀段測(cè)序平臺(tái)的CUT&Tag相關(guān)技術(shù)研究中,Tn5轉(zhuǎn)座酶需要分別在具有染色質(zhì)修飾(組蛋白修飾或轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合)的基因組DNA的兩側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)座,從而在短DNA片段(通常為200bp-500bp)的兩端連接上測(cè)序接頭,且只有雙端帶有不同測(cè)序接頭的短DNA片段才能通過PCR擴(kuò)增得到富集,進(jìn)而構(gòu)建測(cè)序文庫。這意味著,捕獲單個(gè)染色質(zhì)修飾位點(diǎn)需要在較短的基因組區(qū)域內(nèi)完成至少兩次Tn5轉(zhuǎn)座事件。對(duì)于常染色質(zhì)相關(guān)的修飾,由于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散且可及性高,Tn5轉(zhuǎn)座酶能夠在染色質(zhì)修飾區(qū)域兩側(cè)高效切割DNA,確保測(cè)序接頭的有效連接。然而,異染色質(zhì)相關(guān)的修飾通常位于染色質(zhì)高度濃縮的區(qū)域,這些濃縮的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)限制了Tn5轉(zhuǎn)座酶與DNA的接觸,降低了Tn5轉(zhuǎn)座酶的切割效率,導(dǎo)致異染色質(zhì)區(qū)域短DNA片段的富集度較低,影響了異染色質(zhì)相關(guān)的組蛋白修飾信號(hào)的捕獲。

相比之下,基于單分子長(zhǎng)讀段測(cè)序平臺(tái)的scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)僅需Tn5轉(zhuǎn)座酶在具有染色質(zhì)修飾的基因組位點(diǎn)的任何一側(cè)完成一次轉(zhuǎn)座事件,并在距離該修飾位點(diǎn)另外一側(cè)的1 kb - 10 kb范圍內(nèi)的任何兩個(gè)相鄰核小體之間再發(fā)生一次轉(zhuǎn)座事件,即可將測(cè)序接頭分別連接到DNA長(zhǎng)片段的兩端,從而通過PCR擴(kuò)增將該位點(diǎn)的染色質(zhì)修飾信號(hào)富集出來。這種特性顯著提高了scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)對(duì)染色質(zhì)修飾的捕獲效率,特別是對(duì)于異染色質(zhì)區(qū)域富集的修飾信號(hào)表現(xiàn)出更優(yōu)越的檢測(cè)能力(圖1)。

圖1:二代短讀段CUT&Tag技術(shù)和單分子長(zhǎng)讀段scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)中Tn5切割和染色質(zhì)修飾標(biāo)記捕獲示意圖(Credit: Nature Methods

該研究從六個(gè)方面對(duì)scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)的性能和應(yīng)用進(jìn)行了探索:

1.scNanoSeq-CUT&Tag能夠在單細(xì)胞水平上精準(zhǔn)捕獲染色質(zhì)修飾特征并鑒定不同細(xì)胞類型。

為了評(píng)估scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)的可靠性,該研究首先使用該技術(shù)深入分析了六種有代表性的人類細(xì)胞系(K562、293T、GM12878、HG002、H9、HFF1)的七種染色質(zhì)修飾狀態(tài),包括五種組蛋白共價(jià)修飾(H3K4me3、H3K27ac、H3K36me3、H3K27me3、H3K9me3)和兩種染色質(zhì)結(jié)合蛋白(CTCF 和 RAD21)的分布模式。經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制,該研究共獲得17,211個(gè)高質(zhì)量的單細(xì)胞數(shù)據(jù)集,累計(jì)產(chǎn)生了3.5 Tb的高質(zhì)量測(cè)序數(shù)據(jù)。對(duì)于每種染色質(zhì)標(biāo)記,讀段中位數(shù)長(zhǎng)度在3.4 kb至4.4 kb之間。

scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)能夠在每個(gè)單細(xì)胞中捕獲多達(dá)13,373個(gè)獨(dú)特讀段,顯著優(yōu)于同類型二代測(cè)序方法。此外,檢測(cè)到的落在峰中的讀段比例(FRiP)與基于二代測(cè)序平臺(tái)的scCUT&Tag技術(shù)相當(dāng)。更重要的是,只用146個(gè)單細(xì)胞的scNanoSeq-CUT&Tag測(cè)序數(shù)據(jù)合并得到的基因組軌跡,與使用數(shù)百萬細(xì)胞的ChIP-seq“金標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)據(jù)高度一致。這表明scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)在捕獲細(xì)胞類型特異性染色質(zhì)修飾方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

通過對(duì)scNanoSeq-CUT&Tag的數(shù)據(jù)進(jìn)行無監(jiān)督聚類分析,該研究進(jìn)一步證明,針對(duì)七種染色質(zhì)修飾(H3K4me3, H3K27ac, H3K36me3, H3K27me3, H3K9me3, CTCF和RAD21),六種人類細(xì)胞系的單細(xì)胞樣本均被清晰準(zhǔn)確地區(qū)分開來。此外,在小鼠外周血單核細(xì)胞(Peripheral blood mononuclear cell,PBMC)的 H3K4me3 數(shù)據(jù)中,scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)不僅成功鑒定出B 細(xì)胞、T 細(xì)胞、NK 細(xì)胞和單核細(xì)胞,而且能夠精準(zhǔn)區(qū)分T 細(xì)胞的不同亞型(CD4+ T 細(xì)胞和CD8+ T 細(xì)胞)以及單核細(xì)胞的不同亞型(經(jīng)典單核細(xì)胞和非經(jīng)典單核細(xì)胞)。這些結(jié)果表明,scNanoSeq-CUT&Tag不僅可以有效地捕獲不同細(xì)胞類型的染色質(zhì)修飾特征,而且對(duì)體外培養(yǎng)的細(xì)胞系以及體內(nèi)的復(fù)雜組織樣品都能精準(zhǔn)區(qū)分不同的細(xì)胞類型。

2. scNanoSeq-CUT&Tag能夠精準(zhǔn)鑒定等位基因特異性染色質(zhì)修飾特征。

scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)結(jié)合單細(xì)胞水平的染色質(zhì)修飾檢測(cè)和長(zhǎng)讀段測(cè)序的優(yōu)勢(shì),顯著提高了等位基因特異性染色質(zhì)修飾峰(Allele-specific peak,ASP)的檢測(cè)效率。在區(qū)分等位基因特異性染色質(zhì)修飾峰時(shí),相比于傳統(tǒng)的ChIP-seq技術(shù)依賴峰內(nèi)含有雜合SNP位點(diǎn)(染色質(zhì)修飾峰通常只有100-300bp寬),scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)只需峰兩側(cè)各4,000 bp(讀段長(zhǎng)度)范圍內(nèi)存在雜合SNP或雜合結(jié)構(gòu)變異即可。scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)將含有雜合SNP的峰檢測(cè)效率提高了三倍以上,并且能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行基因型分型。此外,這種準(zhǔn)確的基因型分型能力通過介導(dǎo)X染色體失活的關(guān)鍵調(diào)控因子XIST和印記基因的等位基因特異性染色質(zhì)修飾分析得到了驗(yàn)證,進(jìn)一步證實(shí)了scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)在鑒定等位基因特異性染色質(zhì)修飾峰方面的準(zhǔn)確性和可靠性。

3. scNanoSeq-CUT&Tag能夠精準(zhǔn)檢測(cè)染色質(zhì)修飾共占位事件。

在哺乳動(dòng)物基因組中,有三類關(guān)鍵的調(diào)控元件:?jiǎn)?dòng)子(Promoter)、增強(qiáng)子(Enhancer)和絕緣子(Insulator)。這些元件之間通過相互作用,如增強(qiáng)子-增強(qiáng)子相互作用、增強(qiáng)子-啟動(dòng)子相互作用來調(diào)控基因表達(dá)。已往對(duì)基因組不同功能元件之間相互作用的研究都是基于二代短讀段測(cè)序推斷的,常常沒有直接證據(jù)支持而且假陽性率較高。單分子長(zhǎng)讀段測(cè)序的出現(xiàn)使得分析同一條DNA分子上相鄰區(qū)域含有的同種染色質(zhì)修飾共占位事件成為可能,為基因組功能元件之間的相互作用提供了更直接的證據(jù)。

Tn5對(duì)基因組進(jìn)行切割時(shí),如果兩個(gè)鄰近區(qū)域存在同種染色質(zhì)修飾共占位,那么這兩個(gè)區(qū)域在特定細(xì)胞類型中會(huì)被scNanoSeq-CUT&Tag長(zhǎng)讀段多次連接,連接兩個(gè)染色質(zhì)共占位區(qū)域的讀段長(zhǎng)度分布會(huì)發(fā)生改變,其長(zhǎng)度分布的密度會(huì)顯著高于背景隨機(jī)讀段。基于這一假設(shè),該研究開發(fā)出一種針對(duì)長(zhǎng)讀段數(shù)據(jù)檢測(cè)染色質(zhì)修飾共占位事件的算法。在六種人類細(xì)胞系的七種不同染色質(zhì)修飾數(shù)據(jù)中分別鑒定出100-10,000個(gè)鄰近區(qū)域染色質(zhì)修飾共占位事件(主要發(fā)生在10 kb的鄰近基因組區(qū)域內(nèi))。其中,該研究在GM12878細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)編碼RNA甲基轉(zhuǎn)移酶的METTL8基因內(nèi)含子區(qū)域存在多個(gè)增強(qiáng)子元件之間的H3K4me3修飾共占位事件。據(jù)之前的研究報(bào)道,METTL8在GM12878細(xì)胞中特異的高表達(dá),這暗示METTL8基因上的多個(gè)增強(qiáng)子之間的直接互作共同調(diào)控了METTL8在GM12878細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄活性。

和基于二代測(cè)序平臺(tái)的方法scCUT&Tag類似, scNanoSeq-CUT&Tag測(cè)序技術(shù)也能分析特定細(xì)胞類型中基因組上兩個(gè)相距較遠(yuǎn)區(qū)域(>10 kb)的峰對(duì)(Peak pair)信號(hào)的相關(guān)性,進(jìn)而間接推斷遠(yuǎn)程基因組區(qū)域染色質(zhì)修飾共占位(Long-range-region co-occupancy)事件。值得注意的是,scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)利用長(zhǎng)讀段測(cè)序,在雜合SNP檢測(cè)和單倍型相位分析方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。與基于二代測(cè)序的ChIP-seq數(shù)據(jù)相比,scNanoSeq-CUT&Tag能夠通過篩選出親本等位基因特異性染色質(zhì)修飾不一致的峰對(duì),尤其是父本特異性和母本特異性峰“錯(cuò)位”組成的峰對(duì),進(jìn)一步優(yōu)化基因組染色質(zhì)修飾遠(yuǎn)程共占位事件的推斷,顯著降低假陽性率。

4. scNanoSeq-CUT&Tag能夠精準(zhǔn)檢測(cè)人類基因組中每個(gè)拷貝的重復(fù)序列和基因組復(fù)雜區(qū)域的染色質(zhì)修飾特征。

人類基因組中52%的區(qū)域由重復(fù)序列構(gòu)成,短讀段測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)這些重復(fù)序列區(qū)域常常難以特異性比對(duì),檢測(cè)效果不佳。既往對(duì)于重復(fù)序列的表觀遺傳調(diào)控研究通常是將同一個(gè)重復(fù)元件亞家族中多個(gè)拷貝(幾十個(gè)至幾千個(gè)拷貝)合并作為一個(gè)整體分析,無法明確基因組中某種重復(fù)元件的每個(gè)拷貝的表觀遺傳狀態(tài)。單分子測(cè)序技術(shù)通過長(zhǎng)讀段數(shù)據(jù)能夠識(shí)別重復(fù)元件兩側(cè)的特異性序列,從而將來自重復(fù)元件的讀段精準(zhǔn)比對(duì)到基因組中的唯一區(qū)域,從根本上克服了這一難題。

LINE-1(L1)是最活躍的自主性逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子家族,在人類基因組中約有一百萬個(gè)拷貝,占人類基因組的 17%(在小鼠基因組中,L1占19%),在發(fā)育和多種疾病中發(fā)揮著重要作用。L1Hs 是人類基因組中進(jìn)化上最年輕且仍然具有轉(zhuǎn)座活性的 L1,全長(zhǎng)約為6 kb,在人類基因組中存在 320 個(gè)拷貝的全長(zhǎng) L1Hs。任意兩個(gè) L1Hs 拷貝的序列之間平均僅有~50 個(gè)堿基的差異,不同L1Hs拷貝間的序列相似性超過 99%。這種高度相似性使得二代短讀段測(cè)序的特異性比對(duì)面臨巨大挑戰(zhàn)。然而,利用長(zhǎng)讀段的優(yōu)勢(shì),scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)顯著提高了對(duì)L1Hs的檢測(cè)能力,實(shí)現(xiàn)了在單拷貝分辨率下對(duì)重復(fù)元件的染色質(zhì)修飾進(jìn)行精準(zhǔn)分析。

在人類基因組中,約 3%的區(qū)域被標(biāo)記為“黑名單”區(qū)域(共91 Mb, 不包括核糖體 DNA 、著絲粒和端粒)。這些區(qū)域在短讀段測(cè)序數(shù)據(jù)中通常被屏蔽,以排除顯著的背景噪音,因此其染色質(zhì)修飾信息目前尚不明確。長(zhǎng)讀段測(cè)序技術(shù)通過提供更長(zhǎng)的讀段,能夠跨越傳統(tǒng)的短讀段技術(shù)難以解決的重復(fù)序列和基因組復(fù)雜區(qū)域的問題,提高了讀段與參考基因組之間匹配的唯一性和準(zhǔn)確性,從而增強(qiáng)了基因組的可比對(duì)性(Mappability)。利用scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù),該研究發(fā)現(xiàn)在基因組“黑名單”區(qū)域存在清晰的H3K27ac 修飾峰,并且這一修飾在六種細(xì)胞系中均可被檢測(cè)到。更重要的是,這些基因組“黑名單”區(qū)域富含 ENCODE 注釋的 cCRE 調(diào)控元件,表明這些區(qū)域可能具有潛在的基因表達(dá)調(diào)控作用。

5. scNanoSeq-CUT&Tag能夠精準(zhǔn)解析小鼠精子發(fā)生過程中的 H3K4me3 修飾的動(dòng)態(tài)變化

精子發(fā)生是一個(gè)高度有序且受到嚴(yán)密調(diào)控的多階段發(fā)育過程,伴隨著多種表觀遺傳修飾的重編程。作為雄性哺乳動(dòng)物的生殖細(xì)胞,精子負(fù)責(zé)將遺傳物質(zhì)傳遞給子代。然而,受限于生精細(xì)胞類型的多樣性以及精子發(fā)生過程的連續(xù)性和異步性,全面解析精子發(fā)生過程中的表觀遺傳修飾變化面臨極大的挑戰(zhàn)。

該研究探索了小鼠精子發(fā)生過程中H3K4me3修飾的特征。利用scNanoSeq-CUT&Tag技術(shù)獲得的 H3K4me3數(shù)據(jù)可以精準(zhǔn)區(qū)分小鼠體內(nèi)各種生精細(xì)胞類型(包括精原細(xì)胞(SPG)、細(xì)線期/偶線期精母細(xì)胞(L/Z)、粗線期/雙線期精母細(xì)胞(P/D)、分裂期初級(jí)精母細(xì)胞與次級(jí)精母細(xì)胞的混合物(SPC)、三種不同成熟階段的精子細(xì)胞(Sperml、Sperm2、Sperm3)和睪丸支持細(xì)胞(Sertoli))。通過進(jìn)一步鑒定小鼠全長(zhǎng)LINE1重復(fù)元件 L1Md和基因組“黑名單”區(qū)域的H3K4me3修飾,揭示了小鼠精子發(fā)生過程中這些復(fù)雜基因組區(qū)域中 H3K4me3 修飾信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化,這一發(fā)現(xiàn)有力地表明,既往二代短讀段測(cè)序技術(shù)無法捕獲的基因組“黑名單”區(qū)域可能在小鼠精子發(fā)生過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。這一發(fā)現(xiàn)為深入理解精子發(fā)生過程中的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制提供了重要的線索。

6. scNanoSeq-CUT&Tag能夠精準(zhǔn)捕獲DNA去甲基化后基因組重復(fù)元件上H3K27ac修飾的變化

5-氮雜胞嘧啶 (5-AZA) 是一種常見的DNA去甲基化藥物。該研究以5-AZA處理的K562細(xì)胞為模型研究DNA去甲基化后基因組重復(fù)元件上H3K27ac修飾的變化。scNanoSeq-CUT&Tag鑒定出201個(gè)在DNA去甲基化處理后獲得H3K27ac峰的重復(fù)元件。而且與對(duì)照組細(xì)胞相比,這些重復(fù)元件均失去了DNA甲基化。值得注意的是,這些在5-AZA處理后獲得H3K27ac峰的重復(fù)元件更容易被轉(zhuǎn)錄。此外,該研究發(fā)現(xiàn)L1Hs的一個(gè)特定拷貝在去除DNA甲基化后獲得了H3K27ac峰,并且發(fā)生了轉(zhuǎn)錄,這表明DNA甲基化對(duì)于K562細(xì)胞中LIHs的這一特定拷貝的沉默至關(guān)重要。

綜上所述,該研究開發(fā)了一種基于單分子測(cè)序平臺(tái)的 scNanoSeq-CUT&Tag 新方法,可以精準(zhǔn)檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)染色質(zhì)修飾特征,包括組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合分布模式。該方法實(shí)驗(yàn)流程相對(duì)簡(jiǎn)單、易于操作,不需要特殊的設(shè)備,適合各種分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用。最重要的是,該方法在單個(gè)拷貝分辨率檢測(cè)重復(fù)元件和基因組“黑名單”區(qū)域的染色質(zhì)修飾方面表現(xiàn)卓越。該研究為理解表觀遺傳異質(zhì)性、解析基因組復(fù)雜區(qū)域的表觀遺傳修飾特征、探索復(fù)雜發(fā)育過程中的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制提供了一種強(qiáng)有力的工具和方法。

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