scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析 摘要匯總

         通過(guò)分析單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)，我們能很好地在基因表達(dá)水平層面對(duì)樣本細(xì)胞進(jìn)行簇（cluster）的分類，以及marker基因的注釋。而分析單細(xì)胞轉(zhuǎn)座酶可及染色質(zhì)測(cè)序（scATAC-seq）測(cè)序數(shù)據(jù)可以在染色質(zhì)層面進(jìn)行細(xì)胞研究，是目前主流的單細(xì)胞水平染色質(zhì)可及性測(cè)序解決方案。scATAC-seq可用于繪制細(xì)胞染色質(zhì)開(kāi)放區(qū)的單細(xì)胞圖譜，是一種單細(xì)胞水平研究表觀遺傳學(xué)的有效手段。

         基因在發(fā)生轉(zhuǎn)錄之前，表觀遺傳調(diào)控會(huì)在染色體水平上調(diào)整結(jié)構(gòu)，從而會(huì)影響基因的表達(dá)。因此，從生物體內(nèi)整個(gè)基因表達(dá)的過(guò)程考慮，scATAC-seq和scRNA-seq這一對(duì)絕佳的CP組合可以完整的為科研人員打開(kāi)基因從源頭到表達(dá)的整個(gè)視野，為更好的研究各類生物學(xué)問(wèn)題提供思路。

         因此，對(duì)于同一個(gè)生物樣本，對(duì)其同時(shí)進(jìn)行scRNA-seq與scATAC-seq，則可以整合不同測(cè)序?qū)嶒?yàn)得到的數(shù)據(jù)，從而得到更豐富的結(jié)果。今天為大家分享7篇scRNA-seq與scATAC-seq聯(lián)合分析的研究報(bào)道。

1、scRNA-seq與scATAC-seq聯(lián)合分析繪制胸腺iNKT細(xì)胞發(fā)育圖譜并鑒定到其譜系轉(zhuǎn)錄因子Cbfβ

         與傳統(tǒng)的αβT細(xì)胞不同，不變自然殺傷T（iNKT）細(xì)胞在胸腺中完成了向功能性iNKT1/2/17細(xì)胞的終極分化。然而，指導(dǎo) iNKT 亞群分化的潛在分子程序仍不清楚。本文利用單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）和單細(xì)胞轉(zhuǎn)座酶可及染色質(zhì)測(cè)序（scATAC-seq）分析了17000多個(gè)iNKT細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和39000多個(gè)iNKT細(xì)胞在胸腺iNKT四個(gè)發(fā)育階段的染色質(zhì)可及狀態(tài)，以確定它們的發(fā)育軌跡。研究發(fā)現(xiàn)了 iNKT 前體和不同 iNKT 亞群的新特征，并表明 iNKT2 和 iNKT17譜系轉(zhuǎn)變可能早在 0 階段（ST0）就通過(guò)兩種不同的程序發(fā)生了，而 iNKT1譜系轉(zhuǎn)變可能發(fā)生在 ST0 之后。iNKT1 和 iNKT2 細(xì)胞表現(xiàn)出廣泛的表型和功能異質(zhì)性，而 iNKT17 細(xì)胞則相對(duì)單一。 此外，還發(fā)現(xiàn)了一種新型轉(zhuǎn)錄因子Cbfβ，它在iNKT祖細(xì)胞譜系檢查點(diǎn)中高表達(dá)，與其他已知的iNKT細(xì)胞發(fā)育轉(zhuǎn)錄因子Zbtb16和Egr2表現(xiàn)出相似的表達(dá)軌跡，可指導(dǎo)iNKT細(xì)胞的命運(yùn)并驅(qū)動(dòng)其效應(yīng)表型分化。Cbfβ的條件缺失會(huì)阻礙早期iNKT細(xì)胞的發(fā)育，并導(dǎo)致iNKT1/2/17細(xì)胞分化的嚴(yán)重受損?？傊?，研究結(jié)果揭示了不同的iNKT發(fā)育程序及其細(xì)胞異質(zhì)性，并發(fā)現(xiàn)了一種新型轉(zhuǎn)錄因子Cbfβ是早期iNKT細(xì)胞承諾的關(guān)鍵調(diào)控因子。

2、蠑螈腦區(qū)的scATAC-seq染色質(zhì)可及性圖譜

         蠑螈是研究再生、再生與發(fā)育過(guò)程之間的相互作用、比較基因組學(xué)和進(jìn)化的絕佳模型。大腦是意識(shí)、學(xué)習(xí)、記憶和行為的物質(zhì)基礎(chǔ)，是蠑螈最復(fù)雜、最先進(jìn)的器官。轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)是決定大腦內(nèi)不同區(qū)域功能的關(guān)鍵因素。然而，目前還沒(méi)有全面了解蠑螈腦區(qū)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。本文利用單細(xì)胞ATAC測(cè)序技術(shù)生成了來(lái)自嗅球、端腦、間腦、下丘腦和垂體以及后腦的81199個(gè)細(xì)胞的染色質(zhì)可及性圖譜。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，確定了不同細(xì)胞類型特有的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，并比較了不同腦區(qū)細(xì)胞類型的功能。本研究結(jié)果為全面分析基因調(diào)控程序奠定了基礎(chǔ)，對(duì)今后研究蠑螈大腦的發(fā)育、再生和進(jìn)化以及脊椎動(dòng)物大腦中細(xì)胞類型多樣性的機(jī)制具有重要價(jià)值。

3、scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析揭示ccRCC的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控特征

         透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌（ccRCC）經(jīng)常具有高度的腫瘤異質(zhì)性。在單細(xì)胞水平上闡明ccRCC的染色質(zhì)圖譜可以加深對(duì)該疾病的功能狀態(tài)和調(diào)控動(dòng)態(tài)的理解。本文對(duì)19個(gè)ccRCC樣本進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）和單細(xì)胞轉(zhuǎn)座酶可及染色質(zhì)測(cè)序（scATAC-seq），并利用全外顯子組測(cè)序來(lái)了解個(gè)體間的異質(zhì)性。構(gòu)建了ccRCC的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性圖譜，以揭示ccRCC中不同腫瘤細(xì)胞亞型的調(diào)控特征。研究發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)促進(jìn)ccRCC侵襲和遷移的長(zhǎng)非編碼RNA（RP11-661C8.2和CTB-164N12.1），并通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。綜上所述，本研究全面描述了ccRCC的基因表達(dá)和DNA調(diào)控圖譜，為ccRCC的生物學(xué)和治療提供了新的見(jiàn)解。

4、scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析揭示豬骨骼肌發(fā)育

         骨骼肌的發(fā)育是一個(gè)多步驟的過(guò)程，對(duì)這一過(guò)程的了解在廣泛的領(lǐng)域和應(yīng)用中至關(guān)重要，從其對(duì)人類社會(huì)的潛在醫(yī)學(xué)價(jià)值，到其與改良農(nóng)業(yè)動(dòng)物相關(guān)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，不一而足。骨骼肌始于體節(jié)，在肌肉分化之前，肌肉前體細(xì)胞在真皮肌節(jié)和真皮肌節(jié)衍生的肌節(jié)中生成，這一發(fā)育調(diào)控過(guò)程在模式生物中具有良好的特征。然而，在農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物（如豬）中，胚胎發(fā)育過(guò)程中骨骼肌本體的調(diào)控仍不十分明確。本文以單細(xì)胞分辨率分析了發(fā)育中的豬體節(jié)和肌節(jié)的基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性。結(jié)果： 確定了肌原細(xì)胞和其他細(xì)胞類型，并構(gòu)建了豬骨骼肌本體發(fā)育的分化軌跡。沿著這一軌跡，基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性的動(dòng)態(tài)變化與不同細(xì)胞類型特異性轉(zhuǎn)錄因子的活動(dòng)相吻合。沿著分化軌跡上調(diào)的一些新基因在肌營(yíng)養(yǎng)不良小鼠中的表達(dá)水平高于健康小鼠，這表明它們參與了肌的發(fā)生。對(duì)染色質(zhì)可及性、基因表達(dá)數(shù)據(jù)和體外實(shí)驗(yàn)的綜合分析發(fā)現(xiàn)，EGR1和RHOB是豬胚胎肌生成的關(guān)鍵調(diào)控因子。 總之，我們的研究結(jié)果增進(jìn)了我們對(duì)豬胚胎肌肉發(fā)生過(guò)程中分子和細(xì)胞動(dòng)態(tài)的了解，為進(jìn)一步研究豬骨骼肌發(fā)育和人類肌肉疾病提供了優(yōu)質(zhì)資源。 

5、scATAC-seq揭示老年性黃斑變性視網(wǎng)膜駐留單核吞噬細(xì)胞重編程的核心轉(zhuǎn)錄因子

         老年性黃斑變性（nvAMD）的病理性新生血管是導(dǎo)致老年人失明的主要原因。雖然先天性免疫基因與AMD之間有很強(qiáng)的遺傳關(guān)聯(lián)，但基因組與表型組之間的關(guān)系卻很低，這表明疾病的環(huán)境誘因起著至關(guān)重要的作用。據(jù)觀察，肺炎衣原體等病原體的既往感染史或其他全身性炎癥可能會(huì)導(dǎo)致晚年患上nvAMD 。我們利用一種先前感染過(guò)肺炎衣原體、暴露于內(nèi)毒素和不同免疫細(xì)胞群基因消融的 nvAMD 小鼠模型證明，外周感染引起了表觀遺傳學(xué)重編程，導(dǎo)致視網(wǎng)膜 CX3CR1+ 單核吞噬細(xì)胞（MNPs）出現(xiàn)持續(xù)記憶狀態(tài)。免疫印記在最初的炎癥消退后持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，并最終加劇了nvAMD模型中脈絡(luò)膜新生血管的形成。scATAC-seq發(fā)現(xiàn)，活化轉(zhuǎn)錄因子3（ATF3）是外周炎癥后視網(wǎng)膜駐留MNP重編程的核心介質(zhì)。ATF3 將 MNP 極化為一種修復(fù)表型，偏向于產(chǎn)生促血管生成因子以應(yīng)對(duì)后續(xù)損傷。因此，細(xì)菌內(nèi)毒素誘導(dǎo)的炎癥可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)駐留的 MNPs 免疫重編程，并加重老化視網(wǎng)膜的病理性血管生成。

6、scRNA -seq和scATAC-seq聯(lián)合分析主動(dòng)脈壓力應(yīng)激和適應(yīng)性程序

         當(dāng)主動(dòng)脈細(xì)胞受到壓力（如血流動(dòng)力學(xué)壓力升高）時(shí)，它們會(huì)通過(guò)改變自身功能來(lái)適應(yīng)環(huán)境，從而使主動(dòng)脈保持其強(qiáng)度。為了了解這種適應(yīng)性反應(yīng)的調(diào)控，我們研究了主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（SMC）在對(duì)血管緊張素 II（Angiotensin II）輸注的適應(yīng)性反應(yīng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄組和表觀組程序，并確定了其在防止主動(dòng)脈瘤和夾層（AAD）方面的重要性。在 AngII 輸注誘導(dǎo)的散發(fā)性 AAD 小鼠模型中進(jìn)行了scRNA -seq和scATAC-seq。在野生型小鼠中，輸注 AngII 增加了胸主動(dòng)脈的內(nèi)側(cè)厚度。單細(xì)胞 RNA 測(cè)序分析顯示，胸腔 SMC 存在適應(yīng)性反應(yīng)，其特點(diǎn)是基因上調(diào)，這些基因在傷口愈合、彈性蛋白和膠原蛋白生成、增殖、遷移、細(xì)胞骨架組織、細(xì)胞-基質(zhì)灶粘附、PI3K-PKB/Akt（磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶 B/Akt）和 TGF-β（轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 beta）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用。ScATAC-seq分析顯示，適應(yīng)基因調(diào)控區(qū)域的染色質(zhì)可及性增加，并發(fā)現(xiàn)機(jī)械傳感器YAP/轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)關(guān)聯(lián)域是驅(qū)動(dòng)這些基因（如Lox、Col5a2、Tgfb2）表達(dá)的首要候選轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。在培養(yǎng)的人主動(dòng)脈SMC中，循環(huán)拉伸激活了YAP，YAP直接與適應(yīng)性基因調(diào)控區(qū)（如Lox）結(jié)合，并增加了它們的轉(zhuǎn)錄本豐度。小鼠 SMC 特異性 Yap 缺失損害了 SMC 的這種適應(yīng)性反應(yīng)，導(dǎo)致 AAD 發(fā)生率增加。結(jié)論：主動(dòng)脈應(yīng)激觸發(fā)了胸主動(dòng)脈 SMC 適應(yīng)性反應(yīng)（如傷口愈合、增殖、基質(zhì)組織）的系統(tǒng)表觀遺傳誘導(dǎo)，這種反應(yīng)依賴于功能性生物力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（如 YAP 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)）。研究強(qiáng)調(diào)了適應(yīng)性反應(yīng)在維持小鼠主動(dòng)脈穩(wěn)態(tài)和預(yù)防 AAD 方面的重要性。

7、scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析揭示肝類器官的異質(zhì)性

         為更深入地了解器官組織的轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組，對(duì)兩種狀態(tài)（可擴(kuò)展和更分化）的肝臟類器官組織進(jìn)行scRNA-seq和scATAC-seq分析。已分化肝細(xì)胞的線粒體基因表達(dá)高于未分化肝細(xì)胞，ATAC-seq峰值在線粒體控制區(qū)附近增加。肝臟類器官組織的分化導(dǎo)致了作為增強(qiáng)子和抑制因子的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。此外，調(diào)節(jié)甲胎蛋白（AFP）和白蛋白（ALB）表達(dá)的表觀遺傳機(jī)制在肝臟類器官組織和成人肝臟中也有所不同。PDX1是胰腺發(fā)育過(guò)程中必不可少的轉(zhuǎn)錄因子，它的敲除通過(guò)調(diào)節(jié)AFP和ALB的表達(dá)導(dǎo)致肝臟類器官組織的肝成熟。這種在單細(xì)胞水平上對(duì)肝臟類器官組織轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組的綜合分析有助于更好地理解肝臟發(fā)育過(guò)程中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并有助于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成熟的體外人類肝臟模型。

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