DNA 甲基化與染色質(zhì)可及性是調(diào)控細胞特異性基因表達的關(guān)鍵表觀遺傳機制。 DNA 甲基化主要發(fā)生在 CpG 二核苷酸上，通過阻礙轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或招募甲基結(jié)合蛋白來介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄沉默。染色質(zhì)可及性則反映了核小體定位與調(diào)控元件的活性，決定了轉(zhuǎn)錄機制及增強子 - 啟動子相互作用對 DNA 的空間可及性。這兩種表觀遺傳模式的相互作用對維持細胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，例如在原始生殖細胞中，全基因組 DNA 甲基化擦除與染色質(zhì)重塑同步發(fā)生，以重置細胞多能性。在腫瘤中，致癌基因啟動子的低甲基化與抑癌基因的高甲基化常伴隨調(diào)控區(qū)域的染色質(zhì)壓縮【1–4】。

同時檢測全基因組 DNA 甲基化與染色質(zhì)可及性并進行整合分析，能夠全面揭示生理與疾病狀態(tài)下表觀遺傳的協(xié)同調(diào)控機制，為生物標志物發(fā)現(xiàn)與治療干預(yù)提供新機遇。目前已有多種單細胞多組學(xué)技術(shù)（如 scCOOL -seq 、 scNMT -seq 等）能夠?qū)崿F(xiàn)同一細胞內(nèi)多種表觀遺傳信息的同步測量。然而，這些技術(shù)均依賴于單細胞裂解液，導(dǎo)致細胞通量嚴重受限，且成本高、耗時久【5,6】。因此，發(fā)展能夠同步檢測全基因組 DNA 甲基化與染色質(zhì)可及性的高通量單細胞測序技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)。

近日 ，廣州國家實驗室的范小英團隊在Clinical and Translational Medicine雜志上發(fā)表了題為High-throughput single-cell DNA methylation and chromatin accessibility co-profiling withSpliCOOL-seq的文章。在這項研究中，研究團隊開發(fā)了一種名為SpliCOOL-seq的多組學(xué)測序技術(shù)（圖1），能夠同時對數(shù)千個細胞的全基因組DNA甲基化和染色質(zhì)可及性進行分析。通過整合原位 GpC 甲基化、通用 Tn5 標簽化以及組合條形碼技術(shù)， SpliCOOL -seq 實現(xiàn)了更高的靈敏度和可擴展性。借助這項技術(shù)，研究團隊深入探究了原發(fā)性肺腺癌，能夠識別腫瘤病灶內(nèi)的腫瘤亞克隆，并發(fā)現(xiàn)與患者生存相關(guān)的新型 DNA 甲基化生物標志物（如 FAM124B 、 SFN 、 OR7E47P ）。此外，還證明了腫瘤亞克隆中存在加速的表觀遺傳衰老和有絲分裂活動，為腫瘤發(fā)生提供了新的見解。

圖 1. SpliCOOL -seq 流程

首先，為評估 SpliCOOL -seq 解析細胞類型特異性 DNA 甲基化與染色質(zhì)可及性的能力，研究團隊將其應(yīng)用于 A549 、 H460 和 SK-MES 三株肺癌細胞系。分析顯示，所有細胞在轉(zhuǎn)錄起始位點（ TSS ）均呈現(xiàn) WCG 甲基化水平下降，而基因體區(qū)域甲基化最高。不同細胞類型間全基因組甲基化水平與染色質(zhì)可及性并不簡單對應(yīng)，揭示了表觀共調(diào)控的復(fù)雜性?；?WCG 和 GCH 甲基化數(shù)據(jù)均可清晰區(qū)分三種細胞類型；與 scATAC -seq 數(shù)據(jù)的對比驗證了 SpliCOOL -seq 所檢測的核小體缺失區(qū)域（ NDR ）的真實性，且兩者鑒定的細胞類型特異性可及區(qū)域及富集轉(zhuǎn)錄因子基序高度一致。此外， SpliCOOL -seq 亦能準確捕獲不同癌細胞的拷貝數(shù)變異（ CNV ）。綜上，該技術(shù)實現(xiàn)了在同一單細胞內(nèi)對 DNA 甲基化與染色質(zhì)可及性的高靈敏度、高精度整合分析。

隨后，研究團隊利用 SpliCOOL -seq 成功解析了肺癌細胞的表觀遺傳異質(zhì)性，并取得系列重要發(fā)現(xiàn)（圖2）：

1. 揭示DNMT抑制劑作用新模式：研究發(fā)現(xiàn)，兩種常用的 DNA 去甲基化藥物（ 5- 氮雜胞苷和地西他濱）雖都能引起全局 DNA 去甲基化，但其作用模式存在顯著差異，靶向區(qū)域各有偏好，這為臨床合理化用藥提供了新見解。

2. 發(fā)現(xiàn)肺腺癌腫瘤內(nèi)亞克隆：在對臨床肺腺癌組織的分析中， SpliCOOL -seq 不僅區(qū)分了癌旁與癌組織細胞，更在腫瘤內(nèi)部鑒定出具有不同拷貝數(shù)變異和表觀遺傳特征的兩個腫瘤亞克?。?PC1 和 PC2 ），以及一組已出現(xiàn)基因組異常但表觀遺傳狀態(tài)仍接近正常的“癌旁癌變細胞”（ AC ），為理解腫瘤早期演化提供了新視角。

3. 鑒定新型預(yù)后相關(guān)甲基化標志物：通過整合分析，團隊發(fā)現(xiàn)了一批與肺腺癌患者生存顯著相關(guān)的 DNA 甲基化標志基因，如 FAM124B 、 SFN （ Stratifin ）、 OR7E47P 等。其中，團隊通過 CRISPR 基因敲除和功能實驗驗證了 SFN 基因在促進肺癌細胞增殖和遷移中的關(guān)鍵作用。

揭示癌細胞表觀遺傳“加速衰老” ：研究首次在單細胞層面發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞表現(xiàn)出明顯的表觀遺傳年齡加速和細胞分裂速率加快，且與正常細胞共享部分衰老相關(guān)的甲基化信號，提示衰老與腫瘤發(fā)生存在共同的表觀遺傳基礎(chǔ)。

圖 2. SpliCOOL -seq 解析肺癌細胞表觀異質(zhì)性及表觀衰老

綜上所述， 本研究提供了一種高通量單細胞測序技術(shù)，能夠在單個細胞內(nèi)同時對全基因組 DNA 甲基化和染色質(zhì)可及性進行平行分析。這種集成方法在闡明不同細胞狀態(tài)下的基因調(diào)控相互作用方面具有巨大潛力。 SpliCOOL -seq 能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、多模態(tài)的單細胞表觀遺傳學(xué)分析，為發(fā)現(xiàn)癌癥生物標志物提供了一個強大的平臺。其應(yīng)用揭示了新的治療靶點和早期診斷標志物，突顯了其在精準腫瘤學(xué)中的潛力。

原文鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/ctm2.70584

制版人：十一

參考文獻

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