Cell | 复杂组织的单细胞空间表观基因组学成像

原创 存在一棵树 图灵基因 2022-10-28 10:11 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

撰文：存在一棵树

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本文开发了一种高通量单细胞染色质表观遗传修饰的成像方法，Epigenomic MERFISH，实现了空间高分辨率（<1um）和高基因组分辨率（可以探测~270个碱基上的表观修饰），可在单细胞上原位探测表观基因组。

2022年10月21日美国哈佛大学化学与化学生物学系的庄小威团队在《Cell》上发表了一篇名为“Spatially resolved epigenomic profiling of single cells in complex tissues”的文章。本文报告一种基因组学分析方法，其通过空间分辨的表观基因组图谱的单细胞使用原位标记和转录，随后进行多路成像。

基因表达的时间与空间控制对细胞和组织的发育和功能至关重要，表观基因组中编码的调控信息使得基因的差异激活或抑制，促使发育过程中产生不同的细胞类型。目前，表观遗传测序技术已经扩展到单细胞水平，但是细胞的空间信息在测序过程中是丢失的。虽然已经开发了空间基因组学方法来使用基于成像的方法，单由于分辨率有限，难以检测到短序列。

如图1所示，该团队为了以高通量方式成像表观基因组位点，通过Epigenomic MERFISH进行表观遗传修饰的空间分辨单细胞分析。首先在染色质上原位捕获特定的表观遗传修饰，并在修饰位点处或附近用 T7启动子标记 DNA；然后以原位转录标记的DNA片段以产生RNA；最后，通过多重错误稳健的荧光原位杂交(MERFISH)检测转录的 RNA，并在转录组尺度上进行RNA成像。

接下来，该团队证明了Epigenomic MERFISH的空间分布功能，并利用它来绘制小鼠脑组织中的组蛋白修饰。如图2所示，在进一步优化组织切片的Epigenomic MERFISH方案后，将H3K4me3基因座的空间分布映射到成人和胚胎第13.5天小鼠大脑的切片中，可在脑切片中观察到单个细胞中清晰和可解码的斑点。除此之外，将Epigenomic MERFISH图像与小鼠皮层中相应基因的RNA MERFISH 图像和随机对照之间的比较，确认了它们之间的相似程度显著高于随机对照中相似程度。

接下来，该团队检测了127个靶基因座的 H3K4me3信号如何在胚胎脑中分布，验证了Epigenomic MERFISH 测量的准确性。如图3所示，为了鉴定具有区域特异性表达的基因，该团队还检测了其在五个大脑区域（皮层，大脑皮层下，间脑，中脑和后脑）中的检测点密度。

该团队通过成年小鼠皮层特异性推定活性增强子的空间分辨单细胞分析，还发现Epigenomic MERFISH的空间分析能力可以帮助鉴定推定的启动子-增强子对。除此之外，还观察到的几个推定的增强子基因座的空间簇在基因组空间中的一个共同基因附近包含多个基因座，其显示与该基因的表达模式相似的 H3K27ac 活性的空间模式。如图4所示，在前体簇中的一组10个推定的增强子基因座位于距离 Tcf7l2启动子 ± 300kb的基因组距离内；所有10个增强子显示 H3K27ac 信号在前体区域富集，其类似于Tcf7l2的空间表达模式；位于相同子 TAD中的另一个基因具有不同的表达模式，且已知调节皮层发育；因此推测 Tcf7l2是发育相关 Wnt 信号传导的下游转录因子，它与自身的增强子结合，建立一个正反馈循环，以确保其正常表达。以上Epigenomic MERFISH 揭示胚胎小鼠脑中假定的增强子中枢，还显示了表观遗传位点的亚核分布，揭示了发育中基因保持表达水平的可能机制。

综上所述，Epigenomic MERFISH 提供了一种方法可以用和RNA或DNA FISH相比少量的探针来大规模的测量表观基因组的空间分布，用抗体探测的特性使Epigenomic MERFISH不仅可以检测组蛋白和DNA修饰，还可以检测转录因子和长非编码RNA在基因组上的结合分布。未来该方法可以与不同模式的成像组学检测方法(如3D 基因组和转录组成像)相结合，使得能够同时检测染色质的表观遗传和蛋白质结合概况，染色质的3D 组织以及相同细胞内的基因表达概况。以此有望大大地加快对转录调控的机制以及基因调控在组织发育和功能中的作用的理解。

教授介绍

庄小威，1972年1月出生于中国江苏省如皋市，1991年19岁时从中国科学技术大学毕业，之后赴美国加州大学伯克利分校留学；1996年博士毕业后进入斯坦福大学从事博士后研究工作，师从朱棣文；2001年进入哈佛大学任教，先后担任助理教授、副教授；2005年被聘为美国霍华德·休斯医学研究所研究员；2006年被聘为哈佛大学化学和物理双学科正教授，并在哈佛大学建立了以自己名字命名的单分子生物物理实验室；2012年当选为美国国家科学院院士；2015年当选为中国科学院外籍院士。她从事单分子生物学和生物成像领域的研究，开发成像技术对生物系统进行定量研究。目前，其实验室的研究集中在三个主要领域： 1）超分辨率荧光显微镜；2）单细胞转录组和染色体成像；3）和单分子生物学。

参考文献

Lu, Tian et al. “Spatially resolved epigenomic profiling of single cells in complex tissues.” Cell, S0092-8674(22)01254-5. 14 Oct. 2022.