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《Science | 人类大脑中的单细胞DNA甲基化和三维基因组结构》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2023-10-14

  • 2023年10月13日，索尔克生物学研究所的研究人员在Science 上发表了题为Single-cell DNA methylation and 3D genome architecture in the human brain的文章。

    描述复杂细胞类型背后的基因调控程序是理解健康和疾病中大脑功能的基础。该研究通过探测来自3个成年男性大脑46个区域的51.7万个细胞(39.9万个神经元和11.8万个非神经元)的DNA甲基化和染色质构象，在单细胞分辨率下全面研究了人类脑细胞的表观基因组。

    该研究鉴定了188种细胞类型，并对其分子特征进行了表征。综合分析揭示了DNA甲基化、染色质可及性、染色质组织和基因表达在细胞类型、皮质区和基底神经节结构中的一致变化。研究人员进一步开发了单细胞甲基化条形码，利用选择基因组位点的甲基化状态可靠地预测脑细胞类型。这种多模态表观基因组脑细胞图谱为成人大脑中细胞类型特异性基因调控的复杂性提供了新的见解。

    本文内容转载自“ CNS推送BioMed”微信公众号。

    原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/IwI13twn10xlGUJsNbQekg

  • 原文来源：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adf5357
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  • 《单细胞测序揭示人类胚胎 DNA 甲基化动态》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：huangcui
    • 发布时间：2017-12-27
    • 2017 年 12 月 19 日，北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组和北京大学第三医院乔杰研究组合作在国际知名学术期刊《自然遗传学》上在线发表题为“Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos”的文章。该团队利用单细胞 DNA 甲基化组高通量测序方法，首次在单细胞分辨率对人类植入前胚胎发育过程进行了更加深入的分析，揭示了人类早期胚胎 DNA 去甲基化和从头加甲基化的动态变化、父母本基因组差异甲基化等关键特征。 在哺乳动物基因组上，胞嘧啶（主要是 CpG 二连体中的胞嘧啶）在 DNA 甲基化酶的催化下会发生甲基化。研究显示，DNA 甲基化对多个生物学过程都至关重要，如基因表达抑制、转座子转录活性调节、X 染色体的失活，以及基因组印记的维持等。北京大学汤富酬教授团队与北医三院乔杰教授团队长期密切合作，一直着力于探索人类发育过程中表观遗传学修饰层面的变化。该团队利用国际领先的微量细胞 DNA 甲基化组高通量测序技术，于 2014 年在国际上首次绘制了人类植入前胚胎发育过程中的 DNA 甲基化组图谱 (Guo et al., 2014)，并进而于 2015 年首次绘制了人类原始生殖细胞的转录组和 DNA 甲基化组图谱(Guo et al., 2015)，为深入理解人类早期胚胎发育过程中的两轮 DNA 甲基化组重编程过程的主要特征提供了重要参考。 为了进一步在单细胞分辨率研究 DNA 甲基化重编程过程的动态特征，该团队利用单细胞全基因组 DNA 甲基化组高通量测序技术，对人类植入前胚胎发育的各个关键阶段进行了单细胞、单碱基分辨率的系统研究，主要发现有： （1）首次发现了人类植入前胚胎发育过程中存在大量特异性的 DNA 从头加甲基化。此前研究显示在着床前的早期胚胎发育过程中只有大规模的 DNA 去甲基化。而此次研究数据显示，精子和卵细胞结合受精之后，在人类早期胚胎大规模 DNA 去甲基化的同时，也存在大量高度特异的 DNA 从头加甲基化，这表明在人类早期胚胎第一轮 DNA 甲基化组重编程过程中，全局的 DNA 去甲基化‘净结果’实际上是高度有序的大规模 DNA 去甲基化和局部 DNA 加甲基化两种分子过程相互拮抗产生的动态平衡的结果。该研究同时发现，这些 DNA 从头加甲基化起主导作用的区域主要集中在 DNA 重复序列区域，暗示 DNA 从头加甲基化过程对抑制潜在的转座子转录活性、维持基因组稳定具有重要的调控功能。 （2）首次发现从二细胞胚胎阶段开始父母本基因组上的剩余甲基化水平发生逆转，在同一个单细胞中母本基因组上的剩余甲基化水平显著高于父本基因组上的剩余甲基化水平。通过杂合 SNP 信息精准区分每个单细胞中父本和母本基因组 DNA 甲基化情况，该研究发现父本基因组去甲基化的速度远比母本基因组快，胚胎发育到二细胞阶段以后，父本基因组的 DNA 甲基化水平远低于母本基因组的 DNA 甲基化水平，而且这一特征一直持续到着床后的胚胎阶段。首次揭示了即使在第一轮 DNA 甲基化组重编程结束后，在着床后的胚胎以及胚外组织中父母源的 DNA 甲基化仍然是不对称分布的，母本来源的 DNA 甲基化记忆要多于父本来源的 DNA 甲基化记忆，对早期胚胎发育的潜在影响可能更大。 （3）首次发现 DNA 甲基化在早期胚胎卵裂过程中的不对称分配可以用来追溯同一个胚胎中每个细胞的遗传谱系。 此项研究工作首次实现了人类早期胚胎发育过程中 DNA 甲基化组重编程在单细胞分辨率和单碱基精度的深入研究，新的研究结果对于我们进一步理解 DNA 甲基化在早期胚胎发育过程中的动态、精准调控，父母本基因组甲基化差异，以及每个胚胎内部不同单细胞间 DNA 甲基化组的异质性都具有非常重要的意义. 北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心朱平博士（现为中国医学科学院血液病医院血液学研究所副研究员）、郭红山博士、侯宇博士，以及北京大学第三医院博士生任一昕为该论文的并列第一作者；北京大学生命科学学院汤富酬研究员、北京大学第三医院乔杰教授、闫丽盈研究员为该论文的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、北京市科学技术委员会、国家高技术研究发展计划、北京未来基因诊断高精尖创新中心的资助
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  • 《研究揭示三维基因组的单分子拓扑结构多样性和细胞异质性》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-03-08
    •   高等真核生物基因组存在复杂的三维空间结构，在不同尺度下形成如染色质环（Chromatin loops）、拓扑关联结构域（TADs)、活性/非活性染色质区室（A/B compartments）和染色体域（Chromosome territories）。这些结构对于基因组稳定性的维持、基因表达的精准调控具有重要作用，从而影响细胞命运决定和表型建立。经典的基因组三维结构主要通过染色体构象捕获（3C）及其衍生方法如4Cs、5C、Hi-C、ChIA-PET为代表的多种形式的高通量技术揭示。这些技术可以捕获细胞核内空间相邻的成对DNA序列，但无法捕获细胞群体中基因组内协同的多位点相互作用（multi-way contact）和单分子拓扑结构（single-allele topology）。此外，基因组3D结构在细胞周期、发育和分化过程中动态变化，且与多个基因及调控区间的染色质相互作用相关。获得细胞群体中的染色体单分子拓扑结构对于探究基因组的动态折叠机制和与基因调控功能的关联性颇为重要。     近年来，多个实验室建立了如ChIA-drop、split-pool recognition of interactions by tag extension（SPRITE）、Tri-C、multi-contact 4C和Pore-C等方法，用于探讨染色质多位点协同相互作用和群体细胞的染色体单分子拓扑结构的捕获。这些方法中，Pore-C具有技术简单，且可以同步捕获全基因组高阶多位点互作信息和DNA甲基化修饰的优点。   3月6日，中国科学院昆明动物研究所研究员侯春晖团队与中山大学中山眼科中心副研究员肖传乐团队合作，在《自然-通讯》（Nature Communications）上，发表了题为High-throughput Pore-C reveals the single-allele topology and cell type-specificity of 3D genome folding的研究论文。该工作优化建立了高通量的Pore-C方法，显著增加了高阶染色质互作的检测通量，并揭示了三维基因组的单分子拓扑结构多样性和细胞特异性。   研究发现，Pore-C技术测序通量相对较低的原因可能是与DNA交联的蛋白质没有被完全去除而导致测序纳米孔芯堵塞。为了解决这一问题，研究优化了酶解条件，测试了多次蛋白酶解和使用混合蛋白酶的策略，提高了测序产量约80%，近乎成倍降低了该技术的使用成本。此外，研究通过整合NGMLR和Minimap2比对算法开发了MapPore-C比对流程，显著改善了比对准确性和数据利用率低的问题，同时，研究通过与Hi-C数据比较，验证了HiPore-C能够高度重现基于Hi-C捕获的染色质环、拓扑相关结构域和染色质区室等基因组3D结构。进一步，研究探索了染色体间高阶互作发现，多数互作并非发生在端粒和中心粒之间，而是发生在基因组区域，且形成两个转录活性不同的互作枢纽，其中一个枢纽基因密度、增强子密度和活跃状态染色质相关的表观遗传修饰水平均更高。研究还发现，多个染色体的tRNA基因富集区域之间发生跨染色体的高频相互作用，HiPore-C高阶互作不仅发生在TAD和compartment内部，而且能够跨越多个区室、拓扑相关域和染色质环，基于直接和间接的DNA片段间相互作用构建的染色质互作图谱与常规Hi-C图谱总体相似，但间接DNA片段互作更加倾向跨越多个结构单元。上述研究揭示了跨染色质结构域互作存在的广泛性，并突出了HiPore-C技术在单分子水平解析基因组三维高阶互作的优势和重要性。   研究通过分层聚类的方法，讨论了不同类型细胞的拓扑结构中呈现的单分子拓扑结构集群。这些结构集群是类亚TAD（subTAD-like）结构域形成的基础，具有明显的细胞特异性，表明单分子拓扑结构多样性是细胞群体TAD结构域划分的基础，对探讨基因组空间结构组织和细胞特异的基因表达间的关系具有重要意义。此外，研究使用HiPore-C数据比较了红系K562和淋巴系GM12878细胞中在β-globin locus的高阶互作。结果发现，人ε-和γ-珠蛋白基因启动子和多个增强子之间形成了多位点同时互作、细胞特异的增强子-启动子中心，这种相互作用可能是动态的。研究分析了HiPore-C同时捕获染色质高阶互作和DNA甲基化状态的能力，发现了DNA甲基化信号与染色质环锚点间相互作用强度呈正相关，此外，可根据DNA甲基化水平准确地区分染色质区室的类型（A vs B）。   该研究建立了HiPore-C技术，可全面描述单分子拓扑结构的多样性，揭示的单分子拓扑结构的动态折叠比以前想象的更为复杂，进一步提升了关于三维基因组折叠规律的认知。
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