从染色质开放到细胞身份：scATAC-seq的应用

什么是染色质？

染色质是由 DNA 与组蛋白结合形成的复合物，是真核细胞中遗传物质的存在形式。其核心结构是 DNA 链缠绕在组蛋白八聚体上形成核小体，再通过进一步折叠压缩，将庞大的基因组 DNA 包装成能容纳于细胞核内的紧凑结构。

  • 当染色质处于紧密折叠状态（闭合状态）时，DNA 无法与转录因子等调控分子结合，基因表达被抑制；

  • 当染色质处于松散状态（开放状态）时，DNA 暴露，允许转录因子结合并启动基因转录，因此与基因的活跃表达相关。

可及性状态的连续性广泛地反映了染色质在整个基因组中的动态分布。与封闭染色质相比，开放染色质具有足够的动态性，使得转录因子能够启动序列特异性的可及性重塑，并建立开放的染色质构象（此处以一个活性基因位点为例进行说明）。Pol II，RNA聚合酶II；TF，转录因子。^【1】

染色质可及性谱是指基因组范围内染色质开放区域的整体图谱，反映了 DNA 片段对转录因子等调控分子的可接触性。通过检测全基因组中开放染色质的位置和强度，揭示基因调控的活跃区域（如启动子、增强子等）。开放染色质区域通常与基因的活跃调控（激活或抑制）直接相关。

染色质可及性变异涉及多种生理过程。染色质可及性在胚胎和器官发育、组织再生、器官功能执行、昼夜节律、性别差异、衰老等许多生理过程中呈现动态变化。^【2】

染色质可及性变异参与多种病理过程。在多种疾病中，染色质可及性状态失调。异常的染色质可及性广泛地加剧了多种疾病的发生和发展，例如心血管疾病、癌症、消化系统疾病、神经系统疾病、内分泌疾病、呼吸系统疾病和传染病。^【2】

单细胞 ATAC-seq （scATAC-seq）的核心是捕获有关单个细胞染色质可及性特征的信息。它是批量 ATAC-seq 的单细胞变体，现在是研究组织表观遗传谱的最流行方法之一。

示例 scATAC-seq 数据显示了 300 个单细胞的聚集开放染色质峰。当叠加到参考基因组时，聚集图谱显示开放染色质中存在哪些基因。^【3】

与单细胞RNA测序类似，scATAC-seq能够揭示异质性细胞群中染色质可及性状态的变异。利用这些数据，您可以识别细胞类型和亚型，例如神经元亚型或癌细胞亚群。即使细胞状态之间的差异难以识别，或者某种细胞亚型存在于少量细胞中，也能轻松识别。

scATAC-seq无需已知标记即可识别细胞类型，因此能够以无偏倚的方式实现这一目标。它可以为细胞类型的新区分或识别新的细胞状态提供证据。如此一来，scATAC-seq可以为治疗反应或疾病提供新的见解。

Guilhamon等人研究了胶质母细胞瘤细胞中的染色质可及性^【4】。他们利用单细胞ATAC-seq表明，胶质母细胞瘤拥有一个异质性的自我更新干细胞群。

他们根据染色质可及性特征识别出三种干细胞状态：反应性、建设性和侵袭性。每种类型似乎都有其独特的必需转录因子，并且这些细胞状态在患者胶质母细胞瘤中以不同的比例存在。此外，干细胞状态与异种移植小鼠模型中的癌症存活率相关。肿瘤中干细胞状态的比例决定了小鼠的存活率。

来自胶质母细胞瘤样本的六个细胞簇，通过 scATAC-seq 鉴定并在 UMAP 图中描述。一些簇富含干细胞转录因子启动子 （STEM）。根据它们的 scATAC-seq 图谱，单个细胞被鉴定为四种已知的细胞类型（星形胶质细胞样、间充质样、神经祖细胞样和少突胶质细胞样）。

研究人员可以监测染色质可及性的动态变化。例如，他们可以追踪不同发育阶段的动态变化，以了解细胞如何随时间推移改变其基因表达。或者，他们可以测量染色质可及性在刺激反应中的变化，例如通过基因调控起作用的疗法。

伏立诺他（vorinostat）就是一个例子^【5】。这种抗癌药物作用于组蛋白（染色质的蛋白质元件），并通过改变染色质的可及性来改变基因表达。药物开发人员使用 ATAC-seq 研究与伏立诺他治疗相关的染色质可及性变化。

识别可及染色质的底层序列，有助于更深入地了解基因调控。结合我们对调控元件靶标和DNA结合基序的了解，这些信息有助于识别细胞特异性调控因子。通过这种方式，scATAC-seq技术可以深入了解不同细胞类型的增强子、启动子和调控元件。

例如，scATAC-seq的先驱团队应用该技术研究了免疫治疗后肿瘤微环境中的T细胞^【6】。有些T细胞对免疫治疗反应良好并开始攻击肿瘤，而另一些T细胞则不会，或者随着时间的推移而衰竭。了解不同的反应为改进免疫疗法带来了机会。

在研究基底细胞癌时，研究人员从其染色质谱中鉴定了治疗反应性T细胞的调控因子。他们发现了一个共同的调控程序，该程序控制着T细胞衰竭和辅助性T细胞的发育。这可能有助于推进疗法的发展。

研究人员可以通过整合单细胞ATAC测序和单细胞RNA测序数据，将染色质可及性与基因表达模式直接关联起来。这些结果可以阐明细胞功能的调控机制。

这项研究以指（趾）发育为例^【7】。它研究了HOX转录因子，这些因子在身体不同部位的形成过程中发挥着各种作用。研究人员发现，一种名为HOX13的HOX在发育成远端肢体的细胞中处于活跃状态。

单细胞ATAC测序结果显示，这些细胞中具有HOX13结合区域的染色质处于开放状态。当他们敲除小鼠的Hox13基因后，染色质可及性谱转变为与近端肢体相关的谱。结果表明，HOX13使染色质可被其他转录因子所接近，从而促进了近端肢体向远端肢体的转变。

原文转自single-Cell ATAC-seq:The Basics  Niels Tjoonk  https://www.scdiscoveries.com/blog/knowledge/single-cell-atac-seq-the-basics/

参考文献：

[1]Klemm SL, Shipony Z, Greenleaf WJ. Chromatin accessibility and the regulatory epigenome. Nat Rev Genet. 2019;20(4):207-220. doi:10.1038/s41576-018-0089-8

[2]Chen Y, Liang R, Li Y, et al. Chromatin accessibility: biological functions, molecular mechanisms and therapeutic application. Signal Transduct Target Ther. 2024;9(1):340. Published 2024 Dec 4. doi:10.1038/s41392-024-02030-9

[3]Single-Cell ATAC-seq: The Basics – Single Cell Discoveries

[4]Chen Y, Liang R, Li Y, et al. Chromatin accessibility: biological functions, molecular mechanisms and therapeutic application. Signal Transduct Target Ther. 2024;9(1):340. Published 2024 Dec 4. doi:10.1038/s41392-024-02030-9Guilhamon P, Chesnelong C, Kushida MM, et al. Single-cell chromatin accessibility profiling of glioblastoma identifies an invasive cancer stem cell population associated with lower survival. Elife. 2021;10:e64090. Published 2021 Jan 11. doi:10.7554/eLife.64090

[5]Bubna AK. Vorinostat – An Overview. Indian J Dermatol. 2015;60(4):419. doi:10.4103/0019-5154.160511

[6]Satpathy AT, Granja JM, Yost KE, et al. Massively parallel single-cell chromatin landscapes of human immune cell development and intratumoral T cell exhaustion. Nat Biotechnol. 2019;37(8):925-936. doi:10.1038/s41587-019-0206-z

[7]Desanlis I, Kherdjemil Y, Mayran A, et al. HOX13-dependent chromatin accessibility underlies the transition towards the digit development program. Nat Commun. 2020;11(1):2491. Published 2020 May 19. doi:10.1038/s41467-020-16317-2