scATAC技术的应用 | 单细胞专题

随着单细胞测序技术的兴起，单细胞表观组学测序也越来越受到广泛的关注，而ATAC亦是表观领域的绝对新宠。那么单细胞+ATAC的技术，到底有什么样的应用呢？我们为什么要做单细胞ATAC测序呢？接下来，我们就来简单梳理下目前scATAC（single cell ATAC）的一些应用方向。

1.  细胞异质性

细胞的异质性是一个普遍存在的生物学现象。多细胞生物个体由多种形态功能不同的细胞组成。多种类型细胞有序地结合在一起，形成了组织和器官。肿瘤组织就具有很强的细胞异质性，其中决定肿瘤发展方向的细胞可能只占整个肿瘤组织的一小部分。即使看起来相同的细胞，也可能存在显著的异质性。即使是相同类型的细胞，也可能由于遗传及其他多种因素的影响，而在形状、功能等方面表现出不同。而对细胞异质性的研究，尤其是在人类疾病的研究上面，将会对针对性进行治疗等提供强有力的支持，和对提出有效的解决方案提供强有力的证据。

研究细胞异质性，是一个单细胞层面的范畴。一般来说，scATAC一个比较基础的应用方向，即是比较不同细胞类型及细胞亚型在染色质可及性上的差异，通过这样的差异来从细胞层面揭示更多层面的生物信息。

2018年8月所发表的哺乳动物染色质细胞图谱一文中，就是通过研究神经元细胞的染色质可及性的异质性，来反映空间结构，即染色质可及性所反映的细胞类型，根据解剖学坐标而变化。本文研究中通过单细胞ATAC-seq技术对来自成年雄性小鼠13个组织的近10万细胞，进行了单细胞染色质可及性分析。结果共鉴定出85个亚群和40万种调控元件。研究中选取的13中组织中，就包含了前额叶皮层，并且通过重新分析前额叶皮质细胞，来探究神经元细胞染色质可及性的异质性。结果显示，出现了明显的细胞分离，并且在兴奋性神经元内存在显著的异质性。结合不同细胞特异性表达的调控元件，在染色质可及性信息聚类图中可见，兴奋性神经元簇中细胞类型的分布，与实际解剖学坐标所反映信息一致。

可想而知，这样的scATAC技术，亦将会是肿瘤表观遗传学的研究利器。目前也已有利用scATAC技术进行乳腺癌的肿瘤异质性文章发表。

2.  染色质可及性的动态变化

细胞分化，指的是在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程。最终在空间上细胞产生差异，在时间上同一细胞与其从前的状态有所不同。研究细胞分化，对理解疾病的发生，如癌症的出现有着重要意义。

在胚胎发育和细胞分化的方面，一般应用更多的就是染色质可及性的动态变化。根据不同分化或者发育阶段细胞间的染色质可及性程度的差异，解释细胞发育或者分化的一个变化情况。

       2018年5月发表的研究造血细胞分化一文中，通过在染色质可及性层面的细胞分化连续轨迹，从细胞层面揭示了血细胞分化过程。文章通过技术手段，从人骨髓细胞中分选出多类人类造血细胞亚群，对最终10类已定义的人类造血细胞亚群进行单细胞ATAC测序，构建了染色体可及性图谱。该文中，通过鉴定不同细胞类型中的TF motif，发现了多个造血分化中的重要调控因子。在后续分析中，通过鉴定细胞类型的亚型，揭示了细胞异质性，并且绘制了细胞分化的连续轨迹。本文中，调控元件的相关研究，也揭示了调控元件随着染色质开放状态的变化也呈现显著的异质性。同时，该部分研究，也为多组学整合研究提供了借鉴。

3.  染色质可及性与其他组学的关联，揭示相关性

不单单是染色质可及性这一个组学可以进行利用，和其他组学进行相应的关联，能揭示更多现象。比如，转录因子的研究方面，可以通过scATAC和单细胞转录组的联合，来进一步研究基因表达的上游机制。

2019年9月斯坦福大学所发表的preprint中，就运用了多组学研究人类白血病的分子机制。其中，就联合scATAC和单细胞转录组，揭示了调控白血病相关的重要转录因子RUNX1。此外，该文研究中还利用了CITE-seq（转录组和表位的细胞标签测序）和scATAC的结合，进行了患者和健康样本的单细胞数据映射，发现了两者之间在表观遗传和基因表达的多样性。

4.  生物标志物发现

通过针对染色质可及性的细胞图谱进行分类，我们可以发现，具有共性的特定类别细胞会出现聚类上的共性，通过挖掘特定类别的特异性信息，可以进行细胞标志物的发现，甚至预测疾病分子标记物。

《A Single-Cell Atlas of In Vivo Mammalian Chromatin Accessibility》所提及的研究中，就有结合GWAS的结论，鉴定得到了多种复杂性状和疾病的细胞类型特异性富集。该文中量化85个簇中DA peaks的人类性状的遗传力富集，通过计算85个簇中的每一个获得的DA峰中32种表型的遗传力富集，观察到多种疾病的显著富集情况。比如，白细胞的自身免疫性疾病如狼疮遗传性强烈增加，富集发生在神经元细胞类型等。该部分内容也证明了由单细胞染色质可接近性数据定义的细胞类型的价值。

单细胞ATAC技术的应用场景越来越广泛，在2019年3月，就有利用到了scATAC技术，以辅助用线粒体DNA做人细胞谱系追踪。相信随着技术的不断发展，没有做不到，只有想不到，scATAC技术在各方向研究中都会提供越来越有效的助力。

参考文献：

[1] Cusanovich, Darren A., et al. "A single-cell atlas of in vivo mammalian chromatin accessibility." Cell 174.5 (2018): 1309-1324.

[2] Buenrostro, Jason D., et al. "Integrated single-cell analysis maps the continuous regulatory landscape of human hematopoietic differentiation." Cell 173.6 (2018): 1535-1548.

[3] Granja, Jeffrey M., et al. "A single cell framework for multi-omic analysis of disease identifies malignant regulatory signatures in mixed phenotype acute leukemia." bioRxiv (2019): 696328.

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