会开放获取预览更多或更少：单个人类神经元的新型多组分析Huiwen Che1，2 and Bernard Thienpont1，2，3，*1人类遗传学系功能表观遗传学实验室，KU Leuven，Leuven 3000，Belgium2 Aligning Science AcrossParkinson* 通讯地址：bernard.kuleuven.behttps://doi.org/10.1016/j.xgen.2022.100110对DNA和染色质的表观遗传修饰相互作用以影响基因表达和细胞表型，但在复杂组织中定义这些组学层是一项艰巨的任务。在这一期的《细胞基因组学》中，Luo等人描述了一种新的单细胞多组学方法，同时分析转录组、DNA甲基化组和染色质可及性，以揭示人类神经元。表观遗传变化是驱动细胞谱系选择和稳定细胞身份的关键。由于缺乏分离或纯化特定细胞类型的方法，定义复杂组织中单个细胞类型的表观基因组通常是不可能的任务当准确的遗传标记不可行时，例如，在患者样品或复杂组织如大脑中，尤其如此。1-在这样做时，他们避免了分离每一种细胞类型用于表观基因组分析的需要。毫不奇怪，这些最新的进展正受到极大的热情：单细胞多模式方法在两年前被《自然方法》4在这一期的《细胞基因组学》中，Luo等人描述了一种称为单核甲基胞嘧啶、染色 质 可 及 性 和 转 录 组 测 序 （ snmCAT-seq）的新方法。图5这种开放的染色质特征可以通过亚硫酸氢盐测序检测，同时检测主要发生在CpG背景下的内源性DNA甲基化（图1）。该方法类似于单细胞核小体，甲基化和转录测序（scNMT-seq），它能够联合分析这些相同的组学模式，6但snmCAT-seq需要两个关键的差异，使其与scNMT-seq分开。首先，scNMT-seq需要DNA和mRNA的物理分离，以每个细胞产生两个单独的测序文库，这增加了成本、复杂性和动手时间。然而，Luo及其同事想出了一个巧妙的方法来规避这种物理分离的需要：在互补DNA（cDNA）合成过程中，用5-甲基-dCTP取代脱氧胞苷三磷酸（dCTP），与基因组DNA相反，所得cDNA分子在每个胞嘧啶处携带一个甲基。然后，cDNA合成可以直接在分选的细胞核上进行，因为来自亚硫酸氢盐测序的读数可以通过其胞嘧啶含量容易地分配给转录组或基因组（图1）。这种新方法确实有机会成本：转录组不能单独测序（在选择的深度），每个细胞核中检测到的转录本较少。其次，为了扩增基因组，snmCAT-seq需要单轮随机引发，然后是酶促延伸和接头退火。然而，scNMT-seq涉及在文库制备之前的几轮随机引发，这引入了显著的偏倚和读段嵌合。因此，snmCAT-seq显示出比scNMT-seq好得多的可映射性，降低了测序成本。然而，scNMT-seq似乎产生比snmCAT-seq稍微更复杂的文库，覆盖基因组的更大部分。一个直接的面对面基准测试是需要更好地理解在特定环境中哪种方法更可取。目前，snmCAT-seq似乎特别有利于需要更多细胞而不是每个细胞更深的研究。重要的是，当将snmCAT- seq应用于人类神经元时，Luo及其同事描述了许多令人兴奋的机会和神经生物学和其他学科的新见解。例如，单细胞分析中的一个经典难题是弄清楚用于按细胞状态或类型对细胞进行聚类的参数是否过于宽松或限制，从而导致对细胞类型数量的高估或低估。为了达到一个强大的聚类，Luo和同事们利用了他们数据集的多模态特性，以共同训练的方式联合优化聚类分辨率5具体地说，他们认为，如果在另一种模式中，两组细胞之间的细胞与该组内的细胞没有更大的不同，则在一种模式中聚集为单独细胞类型的两组细胞应被视为单个簇。如果两种经济学模式提供的解决方案相似，这确实是一个有价值和有希望的假设。作者使用基于图形的相似性对聚类质量进行细粒度评估，以识别信息性聚类并推断由多个组学层支持的细胞亚群，因此更有可能具有生物学意义。这项研究的一个令人兴奋的表观遗传学观点是关于内源性的CellGenomics 2，100110，March 9，2022？作者。1这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。会开放访问预览引用图1.由Luo等人开发的单核甲基胞嘧啶、染色质可及性和转录组测序（snmCAT-seq）方法的示意图概述51. Bandler，R.C.，维塔利岛，Delgado，RN，何文聪，Dvoretskova，E.，Ibarra Molinas，J.S. ， Frazel ， P.W. ， Mohammadkhani ，M. ， Machold 河 ， Maedler ， S. ， 等 （ 2022年）。小鼠脑中谱系和遗传同一性的单细胞脱序。Nature 601，404-409.2. Yao，Z.，Van Velthoven，C.T.J.，Nguyen，T.N.，戈尔迪，J.，Sedeno-Cortes，A.E.，Baftizadeh，F.，Bertagnolli，D.，卡斯珀，T. ， Chiang ， M. ， Crichton， K. ， 等 （ 2021年）。跨同皮质和海马结构的转录组细胞类型分类学。184室，3222-3241.e26。3. 特雷文，A.E.， Muller，F.，Andersen，J.，太阳-在典型的CpG二核苷酸背景之外的胞嘧啶甲基化，即，在所谓的CPH背景下。虽然非CpG甲基化在大多数细胞中是罕见的，但神经元（以及干细胞和肌肉细胞）先前被证明在其基因体中具有高水平的CpH甲基化，并且水平尤其在出生后升高7最近的一项研究也强调了脑中CpH甲基化的存在在脊椎动物中是保守的，这表明功能的重要性。8然而，CpH甲基化的功能仍不清楚。然而，通过比较单细胞中CpH甲基化与基因表达，Luo和同事们观察到了一些特殊的相关性。例如，38%的基因体显示出CpH甲基化与基因表达之间的负相关性，与早期观察结果一致，7但其余基因显示出无相关性，有些甚至显示出细胞类型之间CpH甲基化的显著变化，而RNA表达无相应变化。Luo等人表明，在CpH甲基化和表达之间没有相关性的基因通常在神经元发育过程中下调，并以H3K27me3为标记，这表明不同的基因子集受到不同的表观遗传控制。虽然CpH甲基化的功能性后果仍有待确定，但这些观察结果已经提供了研究基因和调控途径的途径。鉴于需要更好地了解表观基因组和转录之间的相互作用，在复杂的组织，这是非常令人鼓舞的看到，研究，如罗等。5继续推动单细胞技术的发展。尽管如此，仍有进一步改进的空间和需求例如，基于亚硫酸氢盐的方法的缺点是它们不能区分5-甲基胞嘧啶与5-羟甲基胞嘧啶。由于这种DNA去甲基化中间体在大脑中高度丰富，因 此对任一碱基特异性的方法将可能提供DNA甲基化景观及其动力学的更精细的图片。此外，基于液滴的成本效益微流体方法的发展已被证明是许多生物体中2，3，10能够以较低成本高通量探测DNA甲基化组的多模式方法的模拟开发可能会在表观遗传学领域产生进一步的变化。致谢H.C.和B.T.承认通过迈克尔·J·福克斯帕金森研究基金会（MJFF）获得的帕金森病科学联盟[ASAP-000430]的资助。B.T.由佛兰德斯研究基金（FWO-Vlaanderen）（G 0 C7519 N）支持。申报利益作者声明没有竞争利益。达拉姆湖，Kathiria，A.，Shcherbina，A.，Farh，K.，Chang，H.Y.，帕瓦罗卡，上午，Kundaje，A.，等（2021年）。单细胞分辨率下发育中的人类大脑皮层的染色质和基因调控动力学。184单元，5053-5069.e23。4. 2019 年 度 方 法 ： 单 细 胞 多 模 式 组 学 。Nat.Methods 17，1.5. Luo，C.，刘洪，Xie，F.，Armand，E.J.，Siletti，K.，Bakken，T.E.，方河，Doyle，WI ， 斯 图 尔 特 ， T. ， Hodge ， R. E. ， 等（2022年）。单核多组学鉴定人类皮质细胞调控基因组多样性。细胞基因组学2，100107-1-100107-21。6. 克拉克，S.J.，Argelaguet河，Kapourani，CA，斯塔布斯，T. M.，Lee，H. J.，Alda-Catalinas，C.，Krueger，F.，Sanguinetti，G. ， Kelsey ， G. ， 玛 丽 奥 尼 ， JC ， 等（2018）。scNMT-seq能够在单细胞中联合分析染色质可及性DNA甲基化和转录。国家通信九千七百八十一。7. 利斯特河，Mukamel，E.A.，Nery ，J.R.，Urich，M.，Puddifoot，CA，约翰逊，北达科他州，Lucero，J.，黄，Y.，Dwork，A.J.，Schultz，医学博士，等人（2013年）。哺乳动物大脑发育过程中的表观基因组重构。科学341，1237905。8. de Mendoza，A.，Poppe，D.，巴克贝里，S.，Pflueger，J.，Albertin，C.B.，Daish，T. ， Bertrand， S. ， de la Calle-Mustienes ，E. ， Meta ， J.L. ， Nery ， J.R. ， 等 （ 2021年）。脊椎动物脑非CpG甲基化系统的出现。Nat. 生态学评价 5，369-378。9. Kriaucionis，S.，Heintz，N.（2009年）。在浦肯野神经元和脑中存在核透明的DNA碱基5-羟甲基胞嘧啶。 科学324，929-930。10. Janssens，J.，Aibar，S.，塔克斯伊朗岛，Ismail ， J.N. ， Gomez ， A.E. ， 奥 伊 ， G. ，Spanier，K.I.，De Rop，F.V.，Gonza 'lez-Blas，C.B.，Dionne，M.，等（2022年）。解码苍蝇大脑中的基因调控。Nature 601，630-636.2Cell Genomics2，100110，2022
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