单细胞中六种染色质状态的多因素表观基因组分析

基因表达是一个复杂的过程，涉及在不同基因组尺度上协调的多种调控机制。这些机制共同产生了细胞特性和功能的非凡多样性。已经建立了许多令人兴奋的单细胞测序技术来研究调节基因表达的个体过程。特别是，将转录组学与其他模式联系起来的方法，如组蛋白修饰、DNA甲基化或染色质可及性，使研究人员能够评估这些因素对基因活性的直接影响。然而，在同一细胞中测量多层基因调控的方法仍然有限。已经开发了几种有前景的方法来研究同一细胞中的两到三种组蛋白修饰。然而，这些方法几乎完全依赖于Tn5标记，并专注于活性染色质和兼性异染色质类型。因此，需要能够在单细胞中进行多重测量来研究所有染色质类型的正交方法。

本研究设计了一种方法——通过条形码识别多重抗体（MAbID）——通过将抗体与条形码DNA接头偶联，在单个样本中同时分析几种表观遗传学标记。通过实施标准的限制性消化和连接步骤，打开基因组，并在抗体结合位点连接抗体特异性接头。因此，连接的接头成为表观遗传标记定位的代理，而独特的条形码使我们能够识别测量到的特定修饰。这种设计便于在同一样本中多路传输许多测量值。

研究者首先通过对小细胞群体中的组蛋白修饰和染色质结合蛋白进行单独测量，将MAbID与类似的最先进方法进行了比较。这些证实了MAbID捕获了所有主要染色质类型的预期基因组图谱。接下来，对同一样本中的四个测量值进行多路复用，并将其与各个剖面进行比较。组合测量与单个测量高度相似，表明多路复用不会影响数据质量，这促使研究者通过实现一级抗体的直接偶联来增强多路复用的潜力。使用初级抗体-DNA缀合物消除了对抗体宿主物种的依赖性，从而增强了对覆盖不同染色质类型的六种表观遗传学修饰的测量。研究者进一步推进了该protocol，以生成单细胞MAbID测量结果，首先将其与其他可用的多因素方法进行了对比。然后，应用单细胞方案来研究体外小鼠神经分化过程中染色质状态的变化。多因素信息使我们能够识别经历X染色体失活的细胞，并同时捕捉失活X等位基因表观遗传学特征的相关变化。最后，优化了MAbID在原代组织中的基因组图谱，通过获得小鼠骨髓细胞中的多因素单细胞图谱来证明这一点。

使用MAbID，研究者获得了单细胞中所有主要染色质类型的六种表观遗传学修饰的联合测量，包括组成型异染色质。这种多重测量可以提供对控制基因表达的机制之间的相互作用的更深入理解。单细胞分辨率在解开这些过程背后的事件序列和理解细胞异质性方面尤其强大。

MAbID可以通过减少可访问染色质区域的背景信号来进一步改善，这目前仍然需要在计算处理过程中进行归一化步骤。组合的基因组图谱本质上创建了一个丰富的数据集，但单细胞测量中reads的稀疏数量阻碍了表观遗传标记之间关系的研究——例如，在研究共占用时。增加基因组覆盖率可能有利于这些深入分析。在可用的多因素方法中，MAbID是唯一一种基于板的方案，它提供了通过荧光激活的细胞分选从细胞群中选择稀有细胞类型的机会。尽管基于板的协议也限制了吞吐量，但组合索引策略的未来实现可以显著提高吞吐量。作者预计，MAbID和其他多因素方法等创新将使科学家能够在单个综合实验中研究复杂生物系统的组合表观遗传学景观。