Genome Biology丨瞿昆組開發單細胞染色質可及性實驗和分析新技術

2021-02-25 BioArt

責編丨迦漵

單細胞測序是指在單個細胞水平上,對基因組、轉錄組、表觀組等進行高通量測序分析的技術。它能夠在單個細胞層次,揭示細胞間在基因結構、基因表達,表觀遺傳狀態等多方面的異質性,在免疫學、神經科學、腫瘤學、發育生物學、微生物學等領域有著廣泛應用。與單細胞轉錄組測序技術相比,單細胞染色質可及性測序技術無論在實驗方法上,還是數據分析上,均存在巨大挑戰。

近日,中國科學技術大學生命科學與醫學部、合肥微尺度國家科學中心、中科院天然免疫和慢性疾病重點實驗室瞿昆教授課題組,開發了一種新型的單細胞染色質可及性實驗技術ftATAC-seq和數據分析算法APEC。該研究成果以「APEC: an accesson-based method for single-cell chromatin accessibility analysis」為題,於5月13日在線發表在Genome Biology雜誌上。

為了更好的獲取單細胞染色質可及性信息,瞿昆教授課題組開發了ftATAC-seq測序技術。該技術是一種基於流式分選,並利用螢光標記轉座酶插入細胞染色質的單細胞染色質可及性測序方法。相比於現有的同類技術,ftATAC-seq結合了細胞蛋白組信息,可以富集表達特異表面分子的細胞群體,同時利用螢光染料標記轉座酶的插入量,因而可以高效的篩選高質量的單細胞文庫(圖1)。

圖1. ftATAC-seq實驗流程

為了解決單細胞染色質可及性測序數據維度多,拷貝數低,數據矩陣稀疏等問題,課題組還開發了一款新的數據分析算法APEC(圖2),用來精確解析單細胞染色質可及性數據,並深度挖掘數據中隱藏的生物學意義。APEC通過將所有單個細胞之間具有相同信號波動的峰合併為峰組(稱為「訪問子(Accesson)」),將原本非常稀疏的「細胞-峰」矩陣轉換為相對緻密的「細胞-峰組」矩陣,巧妙的解決了單細胞染色質可及性數據過於稀疏的問題。與之前的算法相比,APEC具有分群準確性高,速度快,耗費系統資源少等優勢。為了方便研究者使用,APEC算法已經以Python軟體包的形式發布(https://github.com/QuKunLab/APEC),同時集成了多種配置文件和功能模塊以應對不同的單細胞數據分析需求。利用APEC算法,研究者不僅可以對細胞亞群進行精確分群,還可以描繪細胞的發育路徑,預測基因表達,尋找富集的基序,發現超級增強子等。

圖2. APEC單細胞染色質可及性數據分析原理

結合ftATAC-seq實驗方法和APEC算法,作者首次揭示了小鼠胸腺T細胞發育過程中單個細胞染色質可及性及其動態變化圖譜。作者發現當胸腺T細胞歷經從雙陽性到單陽性發育過程中,存在很強的凋亡壓力。這與絕大部分雙陽性T細胞,經歷了胸腺選擇後,會被克隆清除的現象是吻合的。

據悉,中國科學技術大學生命科學與醫學部瞿昆教授為該論文的通訊作者,課題組的特任副研究員黎斌和博士後李楊為共同第一作者。

原文連結:

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02034-y

相關焦點

  • 納米孔測序技術可同時分析人類細胞的染色質可及性和甲基化
    納米孔測序技術可同時分析人類細胞的染色質可及性和甲基化 作者:小柯機器人 發布時間:2020/11/26 11:40:11 美國約翰霍普金斯大學Winston Timp課題組利用納米孔測序實現對人類細胞系染色質可及性和甲基化的同時檢測
  • Genome Biology|近期內容更新
    與編輯面對面Genome Biology 的高級編輯Yixin Yao將於8月3-4日參加國際生物信息學研討會(International Bioinformatics Workshop, IBW),並於8月15-18日出席在北京舉辦的表觀遺傳學和染色質生物學大會
  • mtscATAC-seq:單細胞線粒體DNA基因分型與染色質分析新方法
    Ludwig合作發文題為Massively parallel single-cell mitochondrial DNA genotyping and chromatin profiling,將高置信度的線粒體DNA突變檢測技術與高質量染色質可及性分析技術進行合併建立了高通量的、基於的10x Genomics平臺以液滴為基礎的(Droplet-based)線粒體DNA單細胞轉座酶染色質可及性測序技術
  • Science|人類前腦發育過程中的染色質可及性變化圖譜
    圖1 對人腦類器官細胞進行染色質可及性分析在建立了人類誘導多能幹細胞來源的位置特異性的兩個前腦類器官Cortical spheroids(hCS)以及Subpallial spheroids (hSS)後,作者們將其在體外培養了20個月(圖1)。
  • 研究揭示細胞轉錄組與染色質可及性圖譜
    研究揭示細胞轉錄組與染色質可及性圖譜 作者:小柯機器人 發布時間:2019/10/15 12:31:02 美國加州大學聖地牙哥分校Kun Zhang小組利用高通量測序方法,揭示了同一細胞中轉錄組和染色質可及性圖譜
  • Science兩連發 | 人類胎兒基因表達與染色質可及性圖譜
    目前關於人體發育的分子和細胞學研究主要來自遺傳學,模式生物的研究以及細胞系的體外實驗,而不是直接研究發育中的人體組織。得益於新技術與新計算方法之間的協同作用和單細胞生物學領域的飛速發展,我們對人體生殖和早期胚胎階段的細胞種類和動態變化有了深入了解。相比早期發育階段,胎兒發育伴隨著各種器官的生長和成熟,以及幾百上千種細胞的擴增和分化。
  • 基於納米孔測序開發同步檢測CpG甲基化和染色質可及性的新方法
    CpG甲基化和染色質可及性的測序方法——nanoNOMe-seq。該方法可利用GpC甲基轉移酶外源性標記開放染色質,並通過納米孔測序檢測長鏈DNA上的CpG甲基化和染色質可及性狀態。通過對四種人類細胞系進行分析,研究團隊構建了包括CpG甲基化和染色質可及性等信息的人類表觀基因組圖譜,並揭示了乳腺癌細胞和非癌細胞之間的甲基化和染色質可及性差異。
  • 科學家利用納米孔測序同時獲取染色質可及性和甲基化信息
    近年來隨著DNA測序技術的蓬勃發展,蛋白質結合位點的高通量鑑定、染色質可及性及甲基化狀態分析等檢測技術不斷湧現,其中很多技術(如DNase-seq和ATAC-seq等)依賴於開放性染色質對轉座酶等的敏感性。
  • 科學家繪製出胎兒染色質可及性的人類細胞圖譜
    科學家繪製出胎兒染色質可及性的人類細胞圖譜 作者:小柯機器人 發布時間:2020/11/16 13:54:15 美國華盛頓大學Jay Shendure等研究人員合作繪製出胎兒染色質可及性的人類細胞圖譜。
  • 兩篇Science論文構建出胎兒基因表達和染色質可及性的人類細胞圖譜...
    2020年11月16日訊/生物谷BIOON/---在兩項新的研究中,來自美國華盛頓大學醫學院和布羅特曼-巴蒂精準醫學研究所等研究機構的研究人員構建出兩個細胞圖譜,用於追蹤人類細胞類型和組織發育過程中的基因表達和和染色質可及性(chromatin accessibility,也譯為染色質可訪問性)。
  • 染色質免疫共沉澱(ChIP)技術
    SDS能裂解細胞膜和核膜,使固定染色質釋放出來,這樣有利於超聲。(2) 用公認的標準化儀器Bioruptor超聲儀把DNA打碎為長度在200 ~ 1000 bp,把樣品放在冰上操作。不同細胞樣本都得進行超聲條件優化實驗。(3) 在超聲後,14000 rpm 離心 10 min(4℃),轉移超聲染色質液體上清到1.5 ml 離心管。上清液可放於-80℃冰箱保存。
  • 單細胞測序新技術測定染色質潛力
    染色質可及性是導致的基因表達變化的主要原因之一。該研究建立了一種新的實驗技術,SHARE-seq。該技術能夠實現在單細胞中同時高質量,高通量的檢測基因表達和染色質可及性。通過多輪的indexing,使得每個單細胞中的RNA和染色質均同時被獨特的DNA barcode標記。最後通過鏈黴素將cDNA和染色質分開,並分別建庫測序。該技術在單次實驗中可以構建多達一百萬個單細胞的文庫,而花費僅不到一千美元。在保持檢測靈敏度的基礎上,該技術大大提高了檢測通量,為對複雜系統的大規模測序打下了基礎。
  • ChromID可鑑別染色質上的蛋白互作組
    ChromID可鑑別染色質上的蛋白互作組 作者:小柯機器人 發布時間:2020/3/3 16:45:10 瑞士蘇黎世大學Tuncay Baubec研究組在研究中取得進展。
  • Genome Biology |中科院微生物所邱金龍課題組通過轉錄激活調節染色質構象進而提高CRISPR/Cas9的編輯效率!
    然而,在動物和植物細胞中,不同基因座的編輯效率差異很大。染色質上某些位點的低CRISPR/CAS9編輯效率限制了限制了其進一步應用。真核基因組DNA包裹在組蛋白周圍,進一步壓縮形成高階染色質結構[5],這可能阻礙CAS9與其靶點的結合。哺乳動物細胞內催化活性抑制CAS9(DCAS9)結合位點的全基因組圖譜顯示,它們在開放染色質區域富集。
  • 單細胞基因組可被組織進TAD和染色質納米域中
    單細胞基因組可被組織進TAD和染色質納米域中 作者:小柯機器人 發布時間:2020/10/22 14:46:41 法國蒙彼利埃大學Giacomo Cavalli、Frédéric Bantignies等研究人員合作發現,單細胞基因組可被組織進
  • ...實現可視化基因組3D結構和長距離染色體作用 | Genome Biology
    然而,由於這些數據通常數量龐大且複雜,獨立研究者如果想自己實現數據的可視化將變得低效且耗時。該文章介紹了他們開發的基於網頁的3D基因組瀏覽器(www.3dgenome.org)。這是目前最流行的3D基因組瀏覽器,迄今為止, 已被來自120多個國家的數萬計用戶訪問過,網頁點擊量已經超過了數十萬次。該網站擁有眾多染色體結構相關數據類型,包括Hi-C,GAM,SPRITE,DNase Hi-C,ChIA-PET,PLAC-seq,HiChIP和Capture Hi-C。
  • ...性癌症染色質可接近性圖譜揭示DNA-蛋白結合與癌症發生存在著關聯
    活性DNA調節元件的一種特徵是染色質可接近性(chromatin accessibility, 也譯作染色質可訪問性)。真核基因組在染色質中被壓縮,其中染色質是由DNA和蛋白形成的複合物,僅活性DNA調節元件才能通過細胞中的轉錄因子等分子機器訪問到。
  • 何川等合作開發基於新型化學交聯"平臺"的染色質構象捕獲技術
    責編丨兮染色質構象捕獲技術(3C和Hi-C)及其衍生技術(DNase Hi-C和Micro-C )發現並解析出染色體在不同層級上、不同解析度下的摺疊形式。現有的染色質構象捕獲技術依靠甲醛交聯蛋白與DNA,通過限制性內切酶或者DNase, Mnase對DNA進行酶切,再將空間上鄰近的DNA重新連接。將重連後的DNA文庫通過高通量測序,分析比對其來源並繪製染色質互作圖譜。
  • 「珍藏版」綜述|染色質複製與細胞的表觀遺傳記憶
    而目前關於DNA複製、細胞周期以及表觀遺傳組學之間關係的機制分析為複製偶聯的染色質裝配和複製後染色質的維持提供了一些見解。並且通過實驗破壞特定的染色質恢復事件,我們就可以檢測染色質狀態的長期存在與其在表觀遺傳細胞記憶中的所發揮的作用。DNA複製複合體是一個大的蛋白質-核酸複合體,除了DNA複製相關的因子之外還包括染色質複製相關的必需蛋白【9】。關於染色質複製過程中的細胞表觀遺傳記憶部分,主要包括新、舊組蛋白的核小體組裝途徑以及組蛋白的回收利用對於組蛋白翻譯後修飾的作用。
  • Direct-seq:單細胞水平分析CRISPR基因編輯篩選實驗 | Genome...
    Direct-seq:單細胞水平分析CRISPR基因編輯篩選實驗 | Genome Biology020-02044-w 微信連結:點擊此處閱讀微信文章 基於CRISPR基因編輯的正向遺傳篩選技術已經廣泛應用於「表型(phenotype)-基因型(genotype)」的鑑定研究,常見的研究類型包括鑑定與細胞增殖相關essential gene的負選擇實驗、與細胞獲得抗藥抗殺傷能力相關的正選擇實驗等。