单细胞表观基因组学:记录过去和预测未来

摘要

单细胞多组学最近成为一种功能强大的技术，可以同时记录不同层次的基因组输出，从而记录细胞的身份和功能。将表观基因组的各个组成部分整合到多组学测量中，可以在不同的时间尺度研究细胞异质性，并发现基因组与其功能输出之间的分子连通性的新层次。越来越多的测量数据来自于那些识别转录因子占用率和转录的起始时间和可遗传的表观遗传标记，如DNA甲基化。与细胞谱系被记录的技术一起，这种多层信息将提供对细胞过去历史及其未来潜力的洞察。这将使人们对细胞命运的决定、身份和正常发育、生理和疾病的功能有新的认识。

表观遗传学将基因组与它的功能输出连接起来，从DNA甲基化到组蛋白修饰，可以影响细胞读取基因组的方式，进而影响其转录输出。与DNA结合的转录因子可以创造或改变表观遗传状态(例如，开放或关闭的染色质和高阶染色质构象)，或者它们的结合对现有的表观遗传状态很敏感。在表观遗传学中有一些关键的问题，只能通过在单个细胞中确定表观基因组来解决。例如，与表观遗传异质性有关的细胞之间的转录异质性，在细胞改变其命运或功能时，在转录之前发生变化，或在表观遗传标记后发生变化，而表观遗传状态能比转录组更好地识别出罕见的细胞群和过渡状态吗?单细胞表观基因组学方法的最近发展开始使我们能够解决这些基本问题。

由于表观遗传信息以多种形式存在于DNA的共价修饰、组蛋白的转录后修饰、染色质的可达性和压实性，以及染色体域的高阶构象，每一层信息都需要不同的生化方法来对其进行剖析。这对从单个细胞产生的信息的性质和质量，以及在多组应用中从同一单个细胞中组合多个措施的能力产生了影响。根据问题的类型，需要确定任何特定研究需要的深度或广度(许多，许多细胞)。

目前的单细胞BS-seq (scBS-seq)的覆盖率达到了40%，这意味着对大多数的位点来说，观察到的序列只来自一个染色体拷贝。最新进展进行单细胞甲基化分析与组合索引可能减轻这些限制,同时提供可伸缩性成千上万的细胞在一个实验中。

scBS-seq可以与scRNA-seq结合，通过分离细胞核，分离RNA和DNA，分离下游反应，或在分离和并行处理基因组DNA扩增和cDNA文库准备(22 24)之前，将RNA和DNA在同一细胞裂解液中进行预扩增。BS-seq的覆盖范围足够均匀，可以识别出染色体非整倍体或大型CNVs从区域变化的测序深度。

Hi-C数据以固定核内的结扎事件为基础，测量三维空间中DNA序列的接近程度。为了提高数据的分辨率和通量，可以引入各种优化方法。单细胞Hi-C利用单倍体细胞，允许对单个细胞中所有染色体的三维组织进行建模，揭示了在细胞周期中，球细胞数据是如何模糊染色体室的动态重组的。尽管最近取得了一些进展，但schic方法的分辨率仍然不足以对特定启动子与增强子之间的接触进行询问，这一方法有待于在与功能实验相辅相成，例如表观基因组编辑。

可以设想我们有计算工具来解开和想象细胞内部和细胞之间的不同分子层之间的联系。从这些进展中，我们预期在胚胎发育(包括各种生物的比较)中解决许多问题。我们想知道细胞命运和谱系决定的任何表观遗传学决定因素，以及它们对这些决定的时间和/或记忆。我们的目标是发现表观遗传学和遗传异质性之间的联系，显示表观遗传变化(特别是在疾病中)是由DNA序列的潜在变化所驱动的，比如在癌症中复制数量变异、突变和重新安排，或者是自私自利的DNA元素的移动性。癌前细胞状态可能在组织的早期阶段被它们的单细胞表观基因组信号检测到，其他慢性疾病也可能显示出独特的进展特征。单细胞表观基因组分析可能只允许对少数细胞进行活检，或者通过捕捉少量细胞游离DNA进行循环。这样的工具也可能揭示组织中细胞数量最大的再生和组织修复潜力。

参考文献：

Kelsey, G., O. Stegle, and W.Reik, Single-cell epigenomics: Recordingthe past and predicting the future. Science, 2017. 358(6359): p. 69-75.

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