单细胞抽核|snATAC-seq技术揭示糖尿病风险相关的胰岛特异性调控元件

文章标题：Single-cell chromatin accessibility identifies pancreatic islet cell type– and state-specific regulatory programs of diabetes risk

期刊：Nature genetics(IF=38.330)

平台：10X

样本：3个人的胰岛

问题

2型糖尿病（T2D）是一种多因素、高度多基因遗传的疾病。胰岛是T2D遗传风险的核心，胰岛由多种内分泌细胞类型组成，具有不同的功能，并且在基因表达和其他分子标记上具有异质性。然而胰岛细胞类型表观基因组的异质性尚未被描述。

主要内容：在本研究中，我们利用snATAC-seq绘制了单个胰岛细胞的染色质图谱，定义了胰岛细胞类型和细胞状态的调控程序，描述了它们与T2D风险和空腹血糖的关系，并预测了T2D风险变异的分子机制。

结果

1、 胰岛单核细胞图谱

我们使用snATAC-seq技术对来自三名捐赠者的胰岛进行了研究，经过滤获得了15298个细胞，将它们聚类为12个簇，分别为Beta、Alpha、Delta、Gamma、导管细胞、腺泡细胞、免疫细胞、星状细胞和内皮细胞。

每个细胞类型的motif分析揭示了细胞类型特有的转录因子和motif序列，例如我们观察到PDX1在Bate 和delta细胞中富集，MAF在alpha和Bata 细胞中富集，IRF在免疫cells富集，ETS在内皮cells 富集。基于motifs富集的细胞类型层次聚类显示，beta和delta细胞以及alpha和gamma细胞的调控程序密切相关，这与单细胞表达数据一致。

2、 胰岛内分泌细胞调节程序的异质性

我们进一步鉴定了亚群间在启动子区染色质可及性发生变化的区域。INS在beta细胞亚群间在启动子区染色质可及性变化最大。通过基因集富集分析(GSEA)，我们发现在区分高激素和低激素的alpha、bata和deta细胞的基因中存在显著重叠。在激素高状态下启动子可及性增加的基因在激素分泌和葡萄糖反应中富集；相比之下，启动子区可及性增加的基因对激素低状态的胁迫诱导信号响应富集。这些数据揭示了激素相关基因间内分泌细胞状态的表观基因差异产生和应激诱导的信号反应，并指出调节网络中的一个潜在共性，它可以控制内分泌细胞类型的特定状态功能。

接下来，我们试图确定在内分泌细胞表观基因组中观察到的异质性是否与胰岛基因表达和功能的异质性相关。与先前scRNA-seq研究中的β细胞亚群进行比较发现，在激素低的细胞中，启动子可及性增加的基因在β细胞亚群中富集，该亚群与内质网应激、蛋白质折叠和低INS表达有关，而在激素含量高的细胞中，启动子可及性增加的基因在其他β细胞亚群中富集(β-亚群1-3)。在最近的Patch-seq研究中，我们发现在状态和与细胞功能电生理测量相关的基因之间具有差异启动子可及性的基因存在显著重叠。因此，这些结果提供了内分泌细胞表观基因组异质性与基因表达和电生理功能异质性之间的联系。

3、胰岛细胞类型富集与糖尿病和血糖全基因组相关性研究

影响糖尿病和空腹血糖水平的基因变异富含胰岛调节元件。我们确定了与糖尿病相关的SNP位点的富集和相关数量表型和其他复杂性状。我们观察到INShigh β细胞与空腹血糖水平显著相关(FDR<0.1)，并且在INShigh和INSlow β细胞状态中T2D相关性显著。

为了进一步解决遗传关联富集的异质性，研究检测了2型糖尿病和空腹血糖的富集以及单细胞图谱中的几个阴性对照性状。我们观察到β细胞在空腹血糖相关变异方面存在显著的异质性，其中在空腹血糖中INShigh细胞富集明显更强；我们将与空腹血糖相关的T2D基因座(T2D/空腹血糖基因座)分组，并使用fGWAS检测这些基因座对INShigh和INSlow细胞位点的富集。我们只观察到INShigh β细胞中T2D/空腹葡萄糖位点的强富集，表明T2D基因座影响葡萄糖水平具有状态特异性效应。

4、共同可及性将调控变异与靶基因联系起来

利用单细胞染色质可及性图谱来定义α、β和δ细胞中可及染色质位点之间的协同可及性。观察到，胰岛染色质环的共同可及性分数>0.05的位点具有很强的富集作用。在共可及性的位点中，有47,871(α)，46,036(β)和42,234(δ)远端位点与基因启动子是共可及的；大多数(71.9%)是细胞类型特异性的。在KCNQ1位点，位于KCNQ1内含子3的一个胰岛染色质位点与INS启动子在远端的500kb以上具有β细胞特异性共可及性，并含有一个因果T2D变体rs231361：G>A(PPA=1)。与INSlow β细胞相比，含有rs231361的位点在INShigh中更容易获得，并且rs231361被预测对β细胞染色质可及性有状态特异性的影响。

本研究发现了228,873个可及的染色质位点，并确定了潜在的谱系和特异性调控的转录因子。观察到空腹血糖和T2D全基因组相关研究对β细胞和其他内分泌细胞类型的状态特异性富集。在定位于胰岛可及染色质的T2D信号中，先确定了具有预测调控功能和与目标基因共可及的变体。KCNQ1位点上的一个T2D变异rs231361预测了对与INS共可及的β细胞增强子的影响，以及影响INS水平的胚胎干细胞来源的β细胞的基因组编辑。共同证明了单细胞表观基因组学在解释复杂疾病遗传学方面的力量。

参考文献：

Joshua Chiou, Chun Zeng, Zhang Cheng, et al. Single-cell chromatin accessibility identifies pancreatic islet cell type– and state-specific regulatory programs of diabetes risk. Nature Genetics. 2021.

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