精彩回顾 | 第二期Webinar：利用单细胞多组学技术解码疾病

2021年9月23日，西湖实验室、西湖大学生命科学学院和细胞出版社联合举办的第二期Webinar拉开帷幕，主题为“利用单细胞多组学技术解码疾病”（Deconvolute Diseases Using Single Cell & MultiOmics Approaches）。 

霍华德·休斯医学研究所研究员、哈佛大学David Pellman博士、加利福尼亚大学圣迭戈分校Bing Ren博士、以及得克萨斯大学安德森癌症中心Nicholas E. Navin博士作为第二期嘉宾带来精彩报告，分享他们在单细胞多组学技术以及疾病研究中令人欣喜的发现，并对领域内的重要问题展开了热烈而深入的讨论。

 

西湖大学智能生物医学技术中心基因组学与生物信息学核心实验室主任王曦和Molecular Cell资深编辑Krista Bledsoe共同主持本次研讨会。

主持人王曦博士

研讨会采用线上直播的形式，让全球的思想碰撞毫无阻碍，与会者来自海内外高校、医院、科研机构、药企等单位，累计超过8000人次观看本次直播。

线上观众互动

与正常基因组相比，肿瘤基因组中存在复杂的染色体结构变化，但我们对产生这种现象的原因却知之甚少。霍华德·休斯医学研究所研究员、哈佛大学丹娜-法伯癌症研究所David Pellman博士为我们带来《基因组的进退维谷之境：正常染色体为何会变坏？》为题的报告,主要介绍了其课题组对于染色体结构变化机制研究的工作。
David Pellman博士生动形象的阐述了染色体碎裂的形成过程，并提出染色体碎裂起源于微核的假设，通过结合活细胞成像技术和单细胞测序技术(Look-seq)证明微核能够引起基因组染色体碎裂的现象,加剧DNA损伤及引发染色体重排等严重后果。同时，为了探究了细胞分裂间期染色体破裂的机制，Pellman课题组进一步提出假设，微核中DNA损伤是由于异常的DNA碱基切除修复造成的。基于这一假设建立了一系列模型，通过验证发现ADAR、MPG以及APE1在微核的DNA损伤中都是至关重要的。Pellman实验室的研究工作为染色体如何在细胞内的变化提供了重要的参考资料，进一步加深了我们对染色体异常如肿瘤发展过程的了解。

David Pellman博士做报告

基因组序列变异不仅发生在癌症中，在其他类型的人类疾病中也存在中不同种类的序列变异。随着人类以及多种模式生物基因组测序计划的完成和高通量测序技术的快速发展，研究者通过全基因组关联研究发现大量序列变异与人类疾病相关联，但破译它们的生物学功能仍然具有挑战性，因为它们中的大多数位于非编码DNA中，我们对这些序列的功能依然知之甚少。

越来越多的研究表明，非编码风险变异可能通过扰乱启动子、增强子和绝缘子等转录调控序列而导致人类疾病。然而，由于缺乏探索人类基因组中转录调控序列时空活动的图谱和工具，对这些非编码变体的功能解释受到很大阻碍。近年来，单细胞表观遗传组学测序技术的发展为探索人类基因组中转录调控序列时空活动图谱提供了坚实的技术基础。加利福尼亚大学圣迭戈分校Bing Ren博士，作为表观基因组学研究领域的领军人物，分享了其课题组在使用单细胞表观基因组学工具绘制人类基因组中非编码调控序列方面的最新成果。

Bing Ren博士首先提出了科学假说：非编码调控序列变异干扰了它们在疾病相关细胞类型中的功能，进而导致了疾病的发生，并介绍了验证这一假设的三个主要挑战: 1）对大多数细胞类型，目前缺少完整的功能性非编码调控序列图谱；2）对已被注释的非编码调控序列，需要进一步准确定义它们的靶基因；3）对已被注释的非编码调控序列，需要进一步确定与它们相结合的转录因子。 

Bing Ren博士做报告

另外，Bing Ren博士也介绍了利用非编码调控序列进行研究的存在的困难：一方面不像蛋白编码序列一样，非编码调控序列不能够单独通过DNA序列信息来进行预测；另一方面，对已被注释的非编码调控序列，不能够通过DNA序列信息来推断这些序列在不同细胞类型或者发育时期的功能活性；最后，对发生在非编码调控序列上的变异，我们不能够预测其对调控序列功能的影响。为了解决这些挑战和问题，Bing Ren实验室团队开发了基于组合编码( Multiplexed barcoding) 策略的单细胞表观组学测序技术scATAC-seq，并设计了分析此类数据的计算工具SnapATAC，与普通的表观组学测序技术相比，这种技术能够在单个细胞水平绘制非编码调控序列时空活动图谱。

Bing Ren团队首先将它们开发的单细胞表观组学技术应用于解码人类心脏组织非编码调控序列时空活动图谱，鉴定了大量的细胞类型特异的非编码调控元件。在此基础上，Bing Ren实验室团队进一步将它们开发的单细胞表观组学技术应用于解码30种人类组织中非编码调控序列的时空活动图谱。他们将所鉴定的非编码调控序列与ENCODE注释的非编码调控序列进行比较，发现它们所鉴定的新非编码调控序列在一个或多个细胞类型中被激活并且序列相比随机序列具有很强的保守性。最后，Bing Ren实验室团队通过结合GWAS信息以及细胞类型特异的非编码调控序列进行富集分析，鉴定了与多种类型疾病相关的细胞类型和非编码调控序列。Bing Ren博士的报告不仅使我们对非编码调控序列的时空转录调控以及它们与疾病的关联分子机制有了深入理解，更为治疗疾病提供了新思路。

Nicholas E. Navin博士做报告

得克萨斯大学安德森癌症中心的Nicholas E. Navin博士为我们讲述了肿瘤发展过程非整倍体现象是由染色体畸变和基因组不稳定性的短暂爆发（punctuated copy number evolution (PCNE)）造成的。随后Nicholas Navin博士以PCNE展开，分享了近期有关单细胞DNA测序技术研究乳腺癌肿瘤亚克隆多样性的工作，利用新开发的ACT技术（Acoustic Cell Tagmentation）和测序，识别了三阴性乳腺癌TNBC拷贝数变化的不同克隆类型（Superclones/Subclones）。该团队对来源于8个三阴性乳腺癌患者肿瘤样本进行拷贝数变化谱系分析，表明TNBC可存在4~25个subclones，而这些subclones可构成4~6个不同的superclones。 另外，单细胞数据superclones和特异等位基因拷贝数的分析识别结果表明：绝大部分杂合性缺失LOH区域与Bulk exome数据高度重合（96.1%）。Nicholas Navin团队的工作证明了ACT技术的有效性，并可以推广到其他癌症甚至正常组织的染色体非整倍性研究。
最后Nicholas Navin博士介绍了前期有关染色体非整倍性copyKAT算法开发应用的工作，进一步对未来单细胞水平多组学的技术开发展开了讨论。Nicholas Navin博士的研究为我们理解肿瘤的发生发展和进化提供了新的视角，并为我们提供了检测肿瘤细胞非整倍性的计算工具copyKAT，为进一步的肿瘤研究和治疗提供了理论和技术基础。

嘉宾及主持人圆桌讨论

本期研讨会不仅有精彩的报告和提问环节，两位主持人和三位嘉宾还共同参与了圆桌讨论，就自己感兴趣的单细胞多组学技术原理以及在疾病基础理论研究和治疗中的应用等问题发表了各自的观点。 不同类型疾病发病机理的复杂性、多样性和异质性给疾病的研究和治疗带来了极大挑战，单个细胞层面的多组学测序分析技术的出现和快速发展为我们研究复杂疾病提供了新的机会，更为复杂疾病的个体化诊断和治疗提供了新方法和新视角。研讨会上科学家们令人兴奋的报告、讨论，听众们的踊跃提问，让我们能够从单细胞、多组学、多视角、系统层面更加深入和全面的认识疾病，鼓舞了我们面对挑战的勇气、探究科学的好奇心和治疗疾病的希望。

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Webinar第二期直播回放

Webinar第三期

将于10月22日举办

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文章来源 | 余华 谢光磊 洪香娜 王曦

编辑 | 王悦萌

校对 | 李凯娜 戴涵