北大學者開發(fā)新一代單細胞技術(shù)，解析早期胚胎細胞命運決定機制
單細胞itChIP-seq技術(shù)解析細胞命運決定機制
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2019年9月3日，北京大學分子醫(yī)學研究所、北大-清華生命科學聯(lián)合中心何愛彬組在《Nature Cell Biology》在線發(fā)表了題為“Profiling chromatin state by single-cell itChIP-seq”的文章，報道了利用一種全新的普適性，易操作的單細胞ChIP-seq技術(shù)解析早期胚層和器官發(fā)育中細胞命運的選擇決定機制，并將這一方法命名為itChIP（simultaneous indexing and tagmentation-based ChIP-seq）。
該工作首次解析了小鼠胚胎干細胞退出全能性，向三個胚層分化過程中的表觀調(diào)控時空規(guī)律。同時，通過整合單細胞轉(zhuǎn)錄組和單細胞ChIP-seq數(shù)據(jù)，研究者揭示了心臟干細胞向心肌和內(nèi)皮細胞分化過程中細胞類型特異性增強子對細胞命運決定的調(diào)控機制。
多細胞生物體由具有相同基因組的不同細胞類型組成，在器官組織發(fā)育過程中，細胞狀態(tài)和細胞命運決定的機制一直是領(lǐng)域普遍關(guān)心的問題。 無論在發(fā)育過程還是疾病狀態(tài)下，表觀遺傳因素（不改變DNA序列的情況下）在細胞命運決定中起著指導性作用。細胞類型和功能異質(zhì)性往往通過調(diào)控基因表達來實現(xiàn)。目前研究多集中在單細胞轉(zhuǎn)錄組水平，單細胞水平解析表觀調(diào)控機制也鮮有報道，而從單細胞、全基因組范圍研究組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄因子如何控制細胞譜系發(fā)生、命運決定則尚屬空缺。
研究這一問題，需要在單細胞水平解析全基因組范圍內(nèi)DNA-蛋白質(zhì)的相互作用圖譜，染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP-seq）技術(shù)是捕獲蛋白質(zhì)-DNA相互作用的有效手段，然而目前單細胞ChIP-seq技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，極大限制了人們對細胞命運特化的調(diào)控機制的認識。為了解決這一技術(shù)難題，何愛彬課題組利用Tn5轉(zhuǎn)座酶切割DNA，切割完的DNA直接帶上可供PCR擴增的DNA序列。巧妙之處在于，研究人員用甲醛交聯(lián)樣品，然后在高溫下用SDS處理細胞，這樣能使全基因組染色體變得松散，同時不會影響蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合。
在這種處理下，Tn5能均勻地切割染色體并提高抗體結(jié)合效率，而且不會產(chǎn)生對開放區(qū)域的偏好性。采用單細胞itChIP-seq技術(shù)，研究人員成功捕獲了100，500以及10,000個細胞多種組蛋白修飾以及DNA-結(jié)合蛋白在基因組的結(jié)合圖譜。通過單細胞itChIP對近2,000個上胚層樣細胞（epiblast-like cells, EpiLCs）的H3K27ac（標記激活型增強子的組蛋白修飾）的信號進行分析，研究者揭示在發(fā)育過程中，外胚層和內(nèi)胚層的命運可能提前決定（尚未觀察到基因表達或者表型出現(xiàn)），而中胚層分化最后發(fā)生。
為了進一步證明單細胞itChIP適用于細胞數(shù)量很少的珍貴胚胎組織樣品，研究人員對胚胎期第7.75和第8.25的NKX2-5譜系的心臟細胞同時進行了單細胞的RNA-seq和單細胞H3K27ac itChIP實驗。通過對這兩個不同維度的單細胞數(shù)據(jù)進行整合分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了在心臟干細胞向心肌細胞和內(nèi)皮細胞兩個不同譜系分化過程中，增強子表現(xiàn)出譜系特異性的激活和關(guān)閉。雖然基因表達呈現(xiàn)出平滑的逐漸上調(diào)和下調(diào)（線性變化）的漸變趨勢，但是增強子卻表現(xiàn)出驟變式（指數(shù)級變化）的激活或者失活，這一現(xiàn)象說明增強子比其調(diào)控的基因表現(xiàn)出更強的時空特異性。
因此，單細胞itChIP不僅適用于上千個單細胞的捕獲，同時也可用于捕獲起始量只有幾十個單細胞的樣品，這為研究稀少細胞樣品例如植入前胚胎等的表觀調(diào)控異質(zhì)性提供了新的技術(shù)手段。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41556-019-0383-5
注：本文轉(zhuǎn)載自北京大學分子醫(yī)學研究所。
