清華新聞網(wǎng)4月27日電 細(xì)胞是生命的基本單位，人體由30多萬(wàn)億個(gè)功能各異的細(xì)胞組成。盡管它們擁有相同的基因組，卻因基因表達(dá)的差異，在形態(tài)、功能和命運(yùn)上表現(xiàn)出顯著多樣性。而基因的表達(dá)又受染色質(zhì)可及性等表觀(guān)遺傳機(jī)制直接影響——只有染色質(zhì)處于開(kāi)放狀態(tài)，相關(guān)基因才有可能被轉(zhuǎn)錄并發(fā)揮作用。理解這兩者在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的相互作用，對(duì)于揭示正常生理過(guò)程和疾病的復(fù)雜機(jī)制至關(guān)重要。
在多種類(lèi)型的癌癥中，腫瘤細(xì)胞展現(xiàn)出顯著的遺傳和表觀(guān)遺傳異質(zhì)性，而腫瘤微環(huán)境中的免疫細(xì)胞也因其動(dòng)態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變和功能多樣性，進(jìn)一步加劇了這種復(fù)雜性。然而，現(xiàn)有單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)往往受限于通量、成本、數(shù)據(jù)質(zhì)量和復(fù)雜組織適用性，難以應(yīng)用于大規(guī)模腫瘤樣本分析。
4月21日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心/清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的張強(qiáng)鋒副教授課題組，聯(lián)合北京301醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心胸外科馮長(zhǎng)江副主任醫(yī)師，在《細(xì)胞·系統(tǒng)》（Cell Systems）期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“在同一單個(gè)細(xì)胞中聯(lián)合分析染色質(zhì)可及性與基因表達(dá)揭示癌癥特異性調(diào)控程序”（Joint analysis of chromatin accessibility and gene expression in the same single cells reveals cancer-specific regulatory programs）的研究論文。
該研究成功開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序技術(shù)Parallel-seq，能夠高通量、低成本地在同一個(gè)單細(xì)胞中同步測(cè)量基因表達(dá)（scRNA-seq）和染色質(zhì)可及性（scATAC-seq）。Parallel-seq巧妙結(jié)合了組合條形碼標(biāo)記與微液滴測(cè)序技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“微液滴過(guò)載”策略，顯著提升了單次實(shí)驗(yàn)的效率和通量。Parallel-seq的優(yōu)勢(shì)在于，一次實(shí)驗(yàn)可并行分析數(shù)十萬(wàn)乃至百萬(wàn)級(jí)細(xì)胞，支持多樣本的多組學(xué)聯(lián)合分析，有效降低批次效應(yīng)的影響；獲得高質(zhì)量的基因表達(dá)與染色質(zhì)可及性的單細(xì)胞聯(lián)合數(shù)據(jù)的同時(shí)，其單個(gè)細(xì)胞成本僅為現(xiàn)有技術(shù)（如10xMultiome）的約1/30。這些優(yōu)勢(shì)使得Parallel-seq適用于大規(guī)模樣本的單細(xì)胞水平基因表達(dá)調(diào)控研究。
Parallel-seq結(jié)合組合索引與微液滴過(guò)載技術(shù)，同時(shí)測(cè)量同一個(gè)單細(xì)胞中染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)
在該研究中，團(tuán)隊(duì)將Parallel-seq應(yīng)用于40例人類(lèi)肺癌臨床樣本（包括22例腫瘤組織和18例配對(duì)癌旁組織），獲得了超過(guò)20萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量單細(xì)胞的聯(lián)合組學(xué)圖譜?；谶@一大規(guī)模數(shù)據(jù)集，研究取得了多項(xiàng)重要成果。首先，研究全面描繪了肺癌微環(huán)境中復(fù)雜的細(xì)胞組成，聯(lián)合分析基因表達(dá)與染色質(zhì)可及性，識(shí)別出包括免疫細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞在內(nèi)的8類(lèi)主要細(xì)胞群體，并細(xì)分出14種功能各異的T細(xì)胞亞型。該分析不同于傳統(tǒng)的基于基因表達(dá)的細(xì)胞分型，由于綜合了染色質(zhì)可及性信息，可以揭示多種在單一組學(xué)層面難以區(qū)分、但在聯(lián)合組學(xué)特征下可明確識(shí)別的細(xì)胞功能狀態(tài)。比如，研究發(fā)現(xiàn)了不同狀態(tài)的T細(xì)胞在表觀(guān)遺傳調(diào)控下的多樣性，為解析腫瘤免疫應(yīng)答機(jī)制提供了新視角。
同樣，由于綜合基因表達(dá)與染色質(zhì)可及性信息，Parallel-seq顯著增強(qiáng)了對(duì)基因組不穩(wěn)定性特征的解析能力，識(shí)別出多種與肺癌進(jìn)展密切相關(guān)的拷貝數(shù)變異事件及侵襲性腫瘤細(xì)胞亞克隆。研究還在單細(xì)胞分辨率下并行分析了染色體外環(huán)狀DNA（eccDNA）與基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)攜帶eccDNA的腫瘤細(xì)胞中上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子如SOX4顯著上調(diào)，提示eccDNA可能在腫瘤演進(jìn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
更重要的是，在同一個(gè)單細(xì)胞內(nèi)部獲得基因表達(dá)與染色質(zhì)可及性信息，可以幫助構(gòu)建高分辨率的細(xì)胞類(lèi)型特異性增強(qiáng)子-靶基因互作圖譜。研究因此揭示了多種免疫和腫瘤關(guān)鍵基因可能受到特異性增強(qiáng)子的調(diào)控，并開(kāi)發(fā)方法識(shí)別出多個(gè)增強(qiáng)子區(qū)域的功能性體細(xì)胞突變，其中部分可能通過(guò)干擾轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合影響基因表達(dá)，提示增強(qiáng)子突變?cè)谀[瘤發(fā)生與調(diào)控失衡中的潛在作用。
Parallel-seq為單細(xì)胞水平下系統(tǒng)解析基因表達(dá)與染色質(zhì)狀態(tài)的調(diào)控關(guān)系提供了高通量、低成本且具擴(kuò)展性的新工具。在肺癌樣本中的應(yīng)用展示了其在解析細(xì)胞類(lèi)型、功能狀態(tài)及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方面的強(qiáng)大能力，同時(shí)揭示了腫瘤亞克隆的遺傳變異、免疫細(xì)胞的表觀(guān)異質(zhì)性，以及潛在功能性增強(qiáng)子突變，凸顯了該技術(shù)在腫瘤異質(zhì)性研究和癌癥調(diào)控機(jī)制解析中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，Parallel-seq有望拓展至更多疾病模型和組織類(lèi)型，并與空間組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)深度融合，推動(dòng)多組學(xué)整合分析，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供更加系統(tǒng)和高分辨率的解決方案。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心張強(qiáng)鋒副教授和北京301醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心胸外科馮長(zhǎng)江副主任醫(yī)師為共同通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后唐磊、博士后張勁松和2017級(jí)博士生邵燕秋為共同第一作者。2015級(jí)博士生魏逸凡（已畢業(yè)）、博士后李雨哲和博士后田康為論文工作作出了重要貢獻(xiàn)。研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等多方資助支持，清華大學(xué)膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和高通量篩選平臺(tái)藥物技術(shù)中心提供了技術(shù)支持。
論文鏈接：
www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(25)00099-7
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：周襄楠
