单细胞测序技术已被广泛用于解析细胞群体异质性和绘制细胞图谱。虽然已有多种可在单细胞水平高精度解析单一表观修饰的实验方法，但利用现有技术获得的数据很难准确地整合成多维度的表观组图谱。因此，开发新的高质量、高通量且具普适性的单细胞多组学技术显得尤为重要。
为了在单细胞中建立不同维度之间的联系，科研人员已经开发了相应的计算方法，以集成分析不同细胞的单细胞组学数据。现有的策略需要基于先验知识将来自不同实验的多模态组学数据集进行整合，而这限制了对不同形式表观基因组特征和基因表达之间功能关系以及不同表观遗传维度之间精确重构的能力。近日，北京大学分子医学研究所、北京大学-清华大学生命科学联合中心何爱彬研究组在Nature Methods在线发表了题为“Single-cell joint detection of chromatin occupancy and transcriptome enables higher-dimensional epigenomic reconstructions”的研究论文，报道了一种名为CoTECH（combined assay of transcriptome and enriched chromatin binding）的单细胞双组学技术。该方法能够在单个细胞中同时捕获蛋白质-染色质互作和转录组信息，使分析单细胞分辨的基因表达和表观基因组调控成为可能，为重构单细胞多维表观图谱提供了技术支持。 据悉，CoTECH是基于何爱彬课题组此前建立的CoBATCH（combinatorial barcoding and targeted chromatinrelease）技术而开发的。CoBATCH适用于各种组蛋白修饰的检测，同时也能捕获DNA结合蛋白在基因组上的结合信息，具有普适性、易操作、高通量等特点。此次报道的CoTECH是在前期技术的积累上进行了优化，允许在单个细胞中捕获蛋白质-染色质互作信息的同时检测mRNA表达量。
图1. CoTECH示意图，图片来源：Nature Methods
研究人员使用HEK293T和NIH 3T3细胞混合实验证实了CoTECH能够成功区分单细胞的能力。随后在NIH 3T3细胞中同时捕获H3K4me3的结合信号和RNA丰度作为CoTECH的基准，进一步评估数据质量。结果显示，RNA文库中的reads在外显子区高度富集，H3K4me3在启动子处有很强的信号。同时，CoTECH获得的RNA图谱和DNA图谱在两个实验之间显示了高相关性（皮尔逊相关系数为0.92）。图2. CoTECH性能评估，图片来源：Nature Methods
因此，上述结果均支持了CoTECH能够在同一细胞中充分捕获基因表达和组蛋白修饰位点的能力。同时，由于CoTECH方法沿用了组合标签策略，使得CoTECH具有普适性，在不借助特殊仪器、不需要构建转基因模型的情况下即可获得高通量、高精度的单细胞多组学数据，可满足大多数的研究需求。
小鼠胚胎干细胞中二价组蛋白标记与基因表达的调控关系
为证明CoTECH的实用性，研究团队利用CoTECH对小鼠胚胎干细胞中多种组蛋白修饰（H3K4me3/H3K27me3）与基因表达的关系进行了研究。滤除低质量细胞后，共获得6,993个既具有组蛋白修饰信息又具有转录组的单细胞。通过和公共数据库上的代表性基因进行对比，均证实了H3K4me3（一种活性标记）和H3K27me3（一种抑制标记）符合预期模式。图3. CoTECH来源数据与公共数据库数据对比分析，图片来源：Nature Methods
同时，研究人员根据多能性标记基因的表达、H3K4me3和H3K27me3的信号值，分别将细胞聚类为两个亚群。结果显示，68.7%的细胞表达量和H3K4me3位于一致的类别，82.6%的细胞表达量和H3K27me3位于一致的类别，大多数位于C1和C2边缘的细胞分类信息不一致。这可能反映了转录组和表观基因组的信息不对等，也提示在细胞分群或定义细胞命运时需要考虑多组学信息。图4. 根据转录组及表观组对单细胞分类，图片来源：Nature Methods
此外，利用CoTECH技术，研究人员在小鼠胚胎干细胞中解析了二价染色质区域（bivalent chromatin domain）与基因表达的联系，结合“pseudosingle cells”策略解析随拟时序发展中二价染色质评分与H3K4me3/H3K27me3及基因表达的动态关系。图5. mESC染色质二价性和转录的动态关系，图片来源：Nature Methods
综上所述，新开发的CoTECH的单细胞测序方法，使同时检测单个细胞的基因表达和蛋白质染色质互作成为可能，并且不需要专门的实验仪器。虽然该研究仍然存在一定的局限性，但CoTECH提供了一个有价值的工具来探究细胞命运决定因素，并有助于识别罕见未注释的细胞类型，以更好地解析细胞异质性和鉴定罕见功能细胞亚群。
北京大学-清华大学生命科学联合中心博士生熊海清、罗颖洁和北京大学分子医学研究所博士生王千昊为该论文共同第一作者。北京大学分子医学研究所、北京大学-清华大学生命科学联合中心何爱彬研究员为本文的通讯作者。参考文献:
1、Xiong, H., Luo, Y., Wang, Q. et al. Single-cell joint detection of chromatin occupancy and transcriptome enables higher-dimensional epigenomic reconstructions. Nat Methods (2021).
2、Wang et al., 2019, Molecular Cell 76, 206–216.October 3, 2019.
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