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Nature子刊：浙江大学阮一骏等团队合作开发新的方法，用于低细胞输入的3D表观基因组的绘制

2023-01-16 iNature iNature 发表于陕西省

3D表观基因组低细胞输入
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通过使用ChIA-PET，Hi-C及其衍生物的近距离连接，染色质相互作用的全基因组图谱已经能够将基因与它们的顺式调控元件连接起来。

通过使用ChIA-PET，Hi-C及其衍生物的近距离连接，染色质相互作用的全基因组图谱已经能够将基因与它们的顺式调控元件连接起来。然而，这些方法需要数百万个输入单元来获得高质量的数据，因此不适合许多只有有限单元可用的研究。

2023年1月13日，浙江大学阮一骏及美国杰克逊实验室基因组医学研究所Chia-Lin Wei共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“ChIATAC is an efficient strategy for multi-omics mapping of 3D epigenomes from low-cell inputs”的研究论文，该研究表明ChIATAC是一种从低细胞输入对3D表观基因组进行多组学映射的有效策略。在ATAC-seq中通过转座酶消化的表观基因组分析只需要数百到数千个细胞就能牢固地映射与转录活性相关的开放染色质，但它不能直接将活性基因与其远端增强子连接起来。

该研究结合了ChIA-PET中的近距离连接和ATACs中的转座酶可达性，有效地映射了低数量输入细胞中开放染色质位点之间的相互作用。该研究在果蝇细胞中验证了ChIATAC，并对其进行了优化，以便在人类细胞中稳健地绘制3D表观基因组。将ChIATAC应用于原代人T细胞，该研究揭示了T细胞激活过程中拓扑调节转录程序的机制。

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人类基因组由60亿个碱基对组成，由23对染色体组成，这些染色体通过长时间染色质相互作用折叠成环状和结构域，在细胞核的范围内以有序但流动的方式折叠。基于近距离连接的高级染色质相互作用-绘图方法，极大地扩展了对人类和模式生物3D基因组组织的认识。特别是，在ChIA-PET及其衍生物HiChIP和PLAC-seq中包含染色质免疫沉淀(ChIP)以特异性富集蛋白质因子相关染色质复合物，有效地捕获与染色质结构蛋白(CTCF，内聚蛋白等)和转录因子(TF)如RNA聚合酶II (RNAPII)和其他特异性TF相关的染色质相互作用。
 
然而，这些方法每次实验都需要大量的输入细胞才能生成高质量的数据，而当应用于输入细胞数量较低的研究时，得到的数据往往质量较差，仅映射高阶染色质域，缺乏特定染色质位点之间个体相互作用的细节。因此，它们不能轻易应用于高兴趣的生物和临床样本的研究，这些研究通常只有很少的可用细胞，但需要高分辨率的数据。
 
同时，染色质分析方法如ATAC-seq、DNase-seq和FAIRE-seq绘制开放染色质全基因组区域，以识别可被反式调控因子访问的候选启动子和顺式调控元件。具体来说，ATAC-seq识别了对过度活跃的Tn5转座酶消化敏感的染色质，该酶同时切割基因组DNA并在其切割位点插入测序适配器；这种直接将“标记”与可获取DNA的消化相结合，使得从500个输入细胞中高效构建DNA测序文库成为可能。然而，ATAC-seq分析不能揭示开放染色质位点之间的直接相互作用，因此不能反映精确的远距离转录调控，如增强子-启动子相互作用。
 
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IL-2特异性转录调控的拓扑模型（图源自Nature Communications ）
 
作者试图开发一种方法，可以有效和同时映射开放的染色质位点和染色质相互作用与转录活性，并且使用少量输入细胞。已经有一些努力将不同的色谱探测方案结合起来，以实现更有效和更有信息的多组学分析。ChIA-PET是第一个同时检测TF结合位点(TFBSs)和与感兴趣的TF相关的染色质相互作用的方法。
 
Rrac-looping是另一种多组学方法，它使用二价寡核苷酸连接子，有利于形成转座酶的四聚物复合体，标记和切割两个可访问的染色质位点，这些位点线性距离远，但空间上接近，因此，捕获开放染色质位点之间的相互作用。Ocean-C和HiCAR是最近的两种方法，包括FAIRE(甲醛辅助分离调控元件)步骤，从蛋白质结合的物质中分离蛋白DNA，或Hi-C方案中的Tn5消化，以检测开放染色质位点之间的接触。然而，这些方法仍然需要大量输入细胞才能获得高质量的染色质相互作用数据，从而限制了它们的应用。
 
该研究报道了一种称为ChIATAC的策略，该策略结合了用于染色质相互作用分析（ChIA）的原位邻近连接和基于转座酶的ATAC方法用于染色质文库构建的效率。作者发现ChIATAC可以同时且可靠地识别开放染色质位点，并从每个库中最少1000个输入细胞中捕获染色质相互作用。总的来说，ChIATAC是一种有价值和通用的方法，作者预测它将允许染色质相互作用的研究扩展到更广泛的生物系统，包括涉及难以用其他方法研究的罕见细胞群的设置。通过揭示染色质相互作用的变化如何促进细胞行为的变化，这些研究将为基因组结构和功能之间的机制关系提供更细致的理解。
 
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-35879-5

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