使用单个细胞表观基因组的全貌

基因可能确定特征从父母传给后代,但每个细胞表达这些基因不同的基于“外部”表观遗传修饰。表观遗传学不改变基因序列(基因型),但是它们确实影响细胞行为和功能(表现型)。表观遗传学的研究有助于我们了解表型变化导致疾病,干细胞分化,驱动器,人体每一个细胞的命运。

细胞之间的表观基因组是不一致的,甚至是相同类型的细胞之间。个人修改细胞的一生。因此,科学家们正面临着陡峭的挑战,他们试图破译表观遗传学疾病和发展的作用。^[我]理解细胞间异质性是关键。表观基因组必须检查在单细胞的决议。

现在,随着单细胞测序方法的进步像转座酶的单细胞分析访问染色质(scATAC-seq),研究人员已经获得先进的技术来地图大细胞数量,一个细胞。由此产生的外遗传性信息提供了前所未有的洞察不同的细胞类型,形成器官和器官系统,以及致病与疾病相关的修改。

表观基因组的地图来理解细胞分化

遗传信息时挤在难以接近的染色质(异染色质)的形式,表达得很糟糕因为转录机械无法达到它。表观遗传修饰的DNA控制染色质包装在一个细胞,决定多少或小的基因表达,随后,特定细胞的表型。

每一个细胞具有独特的外遗传性指令,指导如何表达它的基因,这些指令可能发生变化。地图定位基因组表观遗传修饰将帮助科学家们了解表观遗传学细胞分化。但直到最近,表观遗传分析主要集中在选择的DNA区域或给大部分结果整个样本的细胞。^(二)这些化验不是设计来检测单个细胞表观遗传模式。

单细胞scATAC-seq等工具帮助我们得到一个对细胞内非均质性,区分细胞群和地图的作用表观遗传学在更大的背景下的有机体。通过构建一个收集scATAC-seq数据,科学家们已经开始产生了“细胞阿特拉斯”提供洞察的作用表观遗传学在复杂的生物过程,发生在整个人类的一生。

scATAC-seq的进化

scATAC-seq是建立在早期的方法研究开放的染色质,核小体定位和转录因子入住率,叫做ATAC-seq。^[3]单个ATAC-seq化验可以处理到成千上万的细胞体积平均反应提供样品的表观遗传状态。

Tn5 ATAC-seq期间,一个活跃的转座酶突变体,结合开放染色质(常染色质)地区。无论Tn5绑定,它劈开DNA和高度测序适配器。然后,PCR扩增后,ATAC片段测序确定开放的染色质区域。ATAC结果表明在哪里核小体定位通常是在基因组的细胞样本和地区对转录因子结合是开放的。因此,科学家使用ATAC-Seq作为第一轮的筛选方法来识别染色质的变化之间的可访问性样品。

ATAC-seq有很多实际应用,但它不能占细胞间变异性常发育过程和疾病的一个重要方面。所以,研究人员开发出一种新的测定微流控技术用于分离单个细胞ATAC-seq之前。^(四)这个试验提供了外遗传性信息分辨率单细胞,赢得scATAC-seq名称。

scATAC-seq方法的关键是它孤立的单个细胞的基因组在早期执行一个单独的ATAC-seq反应每个细胞。然后,开放区域的基因组是由Tn5裂解的转座酶,标记与页码cell-identifying引物进行测序适配器和放大。随后,ATAC片段的编码库,(每个代表一个单独的细胞)汇集在一起,测序揭示开放的染色质区域成千上万的单个细胞。

图表与scATAC-seq未知领域

scATAC-seq已经证明了自己有价值的技术,了解人类疾病如癌症和自身免疫性疾病产生。但它仍然是有限的细胞的数量可以处理。为了解决这个问题,scATAC-seq已经细化为两个方法可以分析更多的细胞每实验通过一个更加可伸缩,droplet-based技术分离出单个核(图1)。

第一droplet-based scATAC-seq方法的迭代(dscATAC-seq)使用一个单一细胞隔离器封装成千上万的个体细胞核ATAC测序nanoliter-sized滴。它使用一个自定义Tn5转座酶来提高图书馆的复杂性和信号的分辨率。原始微流控方法相比,新的工作流是更快,产量更大的生物用更少的时间和精力花在测序。为了演示它的力量和潜力,这种技术已经被用于进行无偏的分析许多不同的细胞类型和监管元素在一只老鼠的大脑。^[v]

图1: 在scATAC-seq, droplet-based技术分区成千上万的整个细胞或细胞核成单个nanoliter-sized滴,使研究人员能够准备一个图书馆的ATAC片段测序揭示开放的染色质区域。信贷:Bio-Rad实验室。

获取单个细胞真正大规模的数据,组合索引是接下来引入dscATAC-seq工作流。这种新方法,称为dsciATAC-seq,使研究人员能够评估50000细胞在一个试验。分析大量的细胞是有可能的,因为,在dsciATAC-seq,活跃突变转座酶集第一集的条形码劈开开放地区每个细胞核的染色质。因为每一个细胞的DNA已经带有条形码,可以加载到多个细胞单个液滴。然后,像往常一样,ATAC片段与第二组编码引物放大。这些片段测序后,两组条形码获得外遗传性概要文件用于成千上万的细胞。

把dsciATAC-seq方法测试,研究人员研究了从人类骨髓衍生的细胞免疫细胞集群来说明这些细胞的染色质易访问性格局变化根据不同兴奋剂在单细胞水平。⁵

虽然单个的细胞数量scATAC-seq实验能评估急剧增长,它将继续在许多学科科学家的共同努力创建一个人类表观基因组的全面的地图,包括数据数以万亿计的细胞。^(六)此外,帮助人类表观基因组解码模式中我们发现,它可能是有价值的收集信息关于动物常用的表观基因组的研究模型。这些地图越来越详细,科学家将获得更透彻地了解生物过程的工作和如何应用这些知识转向发展更好的治疗复杂疾病。

参考: