scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析 摘要匯總

         通過分析單細胞RNA測序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)，我們能很好地在基因表達水平層面對樣本細胞進行簇（cluster）的分類，以及marker基因的注釋。而分析單細胞轉座酶可及染色質測序（scATAC-seq）測序數(shù)據(jù)可以在染色質層面進行細胞研究，是目前主流的單細胞水平染色質可及性測序解決方案。scATAC-seq可用于繪制細胞染色質開放區(qū)的單細胞圖譜，是一種單細胞水平研究表觀遺傳學的有效手段。

         基因在發(fā)生轉錄之前，表觀遺傳調控會在染色體水平上調整結構，從而會影響基因的表達。因此，從生物體內整個基因表達的過程考慮，scATAC-seq和scRNA-seq這一對絕佳的CP組合可以完整的為科研人員打開基因從源頭到表達的整個視野，為更好的研究各類生物學問題提供思路。

         因此，對于同一個生物樣本，對其同時進行scRNA-seq與scATAC-seq，則可以整合不同測序實驗得到的數(shù)據(jù)，從而得到更豐富的結果。今天為大家分享7篇scRNA-seq與scATAC-seq聯(lián)合分析的研究報道。

1、scRNA-seq與scATAC-seq聯(lián)合分析繪制胸腺iNKT細胞發(fā)育圖譜并鑒定到其譜系轉錄因子Cbfβ

         與傳統(tǒng)的αβT細胞不同，不變自然殺傷T（iNKT）細胞在胸腺中完成了向功能性iNKT1/2/17細胞的終極分化。然而，指導 iNKT 亞群分化的潛在分子程序仍不清楚。本文利用單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞轉座酶可及染色質測序（scATAC-seq）分析了17000多個iNKT細胞的轉錄組和39000多個iNKT細胞在胸腺iNKT四個發(fā)育階段的染色質可及狀態(tài)，以確定它們的發(fā)育軌跡。研究發(fā)現(xiàn)了 iNKT 前體和不同 iNKT 亞群的新特征，并表明 iNKT2 和 iNKT17譜系轉變可能早在 0 階段（ST0）就通過兩種不同的程序發(fā)生了，而 iNKT1譜系轉變可能發(fā)生在 ST0 之后。iNKT1 和 iNKT2 細胞表現(xiàn)出廣泛的表型和功能異質性，而 iNKT17 細胞則相對單一。 此外，還發(fā)現(xiàn)了一種新型轉錄因子Cbfβ，它在iNKT祖細胞譜系檢查點中高表達，與其他已知的iNKT細胞發(fā)育轉錄因子Zbtb16和Egr2表現(xiàn)出相似的表達軌跡，可指導iNKT細胞的命運并驅動其效應表型分化。Cbfβ的條件缺失會阻礙早期iNKT細胞的發(fā)育，并導致iNKT1/2/17細胞分化的嚴重受損。總之，研究結果揭示了不同的iNKT發(fā)育程序及其細胞異質性，并發(fā)現(xiàn)了一種新型轉錄因子Cbfβ是早期iNKT細胞承諾的關鍵調控因子。

2、蠑螈腦區(qū)的scATAC-seq染色質可及性圖譜

         蠑螈是研究再生、再生與發(fā)育過程之間的相互作用、比較基因組學和進化的絕佳模型。大腦是意識、學習、記憶和行為的物質基礎，是蠑螈最復雜、最先進的器官。轉錄因子的調節(jié)是決定大腦內不同區(qū)域功能的關鍵因素。然而，目前還沒有全面了解蠑螈腦區(qū)的基因調控網絡。本文利用單細胞ATAC測序技術生成了來自嗅球、端腦、間腦、下丘腦和垂體以及后腦的81199個細胞的染色質可及性圖譜。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，確定了不同細胞類型特有的關鍵轉錄因子，并比較了不同腦區(qū)細胞類型的功能。本研究結果為全面分析基因調控程序奠定了基礎，對今后研究蠑螈大腦的發(fā)育、再生和進化以及脊椎動物大腦中細胞類型多樣性的機制具有重要價值。

3、scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析揭示ccRCC的轉錄和表觀遺傳調控特征

         透明細胞腎細胞癌（ccRCC）經常具有高度的腫瘤異質性。在單細胞水平上闡明ccRCC的染色質圖譜可以加深對該疾病的功能狀態(tài)和調控動態(tài)的理解。本文對19個ccRCC樣本進行了單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞轉座酶可及染色質測序（scATAC-seq），并利用全外顯子組測序來了解個體間的異質性。構建了ccRCC的單細胞轉錄組和染色質可及性圖譜，以揭示ccRCC中不同腫瘤細胞亞型的調控特征。研究發(fā)現(xiàn)了兩個促進ccRCC侵襲和遷移的長非編碼RNA（RP11-661C8.2和CTB-164N12.1），并通過體外實驗進行了驗證。綜上所述，本研究全面描述了ccRCC的基因表達和DNA調控圖譜，為ccRCC的生物學和治療提供了新的見解。

4、scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析揭示豬骨骼肌發(fā)育

         骨骼肌的發(fā)育是一個多步驟的過程，對這一過程的了解在廣泛的領域和應用中至關重要，從其對人類社會的潛在醫(yī)學價值，到其與改良農業(yè)動物相關的經濟價值，不一而足。骨骼肌始于體節(jié)，在肌肉分化之前，肌肉前體細胞在真皮肌節(jié)和真皮肌節(jié)衍生的肌節(jié)中生成，這一發(fā)育調控過程在模式生物中具有良好的特征。然而，在農場動物（如豬）中，胚胎發(fā)育過程中骨骼肌本體的調控仍不十分明確。本文以單細胞分辨率分析了發(fā)育中的豬體節(jié)和肌節(jié)的基因表達和染色質可及性。結果： 確定了肌原細胞和其他細胞類型，并構建了豬骨骼肌本體發(fā)育的分化軌跡。沿著這一軌跡，基因表達和染色質可及性的動態(tài)變化與不同細胞類型特異性轉錄因子的活動相吻合。沿著分化軌跡上調的一些新基因在肌營養(yǎng)不良小鼠中的表達水平高于健康小鼠，這表明它們參與了肌的發(fā)生。對染色質可及性、基因表達數(shù)據(jù)和體外實驗的綜合分析發(fā)現(xiàn)，EGR1和RHOB是豬胚胎肌生成的關鍵調控因子。 總之，我們的研究結果增進了我們對豬胚胎肌肉發(fā)生過程中分子和細胞動態(tài)的了解，為進一步研究豬骨骼肌發(fā)育和人類肌肉疾病提供了優(yōu)質資源。 

5、scATAC-seq揭示老年性黃斑變性視網膜駐留單核吞噬細胞重編程的核心轉錄因子

         老年性黃斑變性（nvAMD）的病理性新生血管是導致老年人失明的主要原因。雖然先天性免疫基因與AMD之間有很強的遺傳關聯(lián)，但基因組與表型組之間的關系卻很低，這表明疾病的環(huán)境誘因起著至關重要的作用。據(jù)觀察，肺炎衣原體等病原體的既往感染史或其他全身性炎癥可能會導致晚年患上nvAMD 。我們利用一種先前感染過肺炎衣原體、暴露于內毒素和不同免疫細胞群基因消融的 nvAMD 小鼠模型證明，外周感染引起了表觀遺傳學重編程，導致視網膜 CX3CR1+ 單核吞噬細胞（MNPs）出現(xiàn)持續(xù)記憶狀態(tài)。免疫印記在最初的炎癥消退后持續(xù)了很長時間，并最終加劇了nvAMD模型中脈絡膜新生血管的形成。scATAC-seq發(fā)現(xiàn)，活化轉錄因子3（ATF3）是外周炎癥后視網膜駐留MNP重編程的核心介質。ATF3 將 MNP 極化為一種修復表型，偏向于產生促血管生成因子以應對后續(xù)損傷。因此，細菌內毒素誘導的炎癥可導致中樞神經系統(tǒng)駐留的 MNPs 免疫重編程，并加重老化視網膜的病理性血管生成。

6、scRNA -seq和scATAC-seq聯(lián)合分析主動脈壓力應激和適應性程序

         當主動脈細胞受到壓力（如血流動力學壓力升高）時，它們會通過改變自身功能來適應環(huán)境，從而使主動脈保持其強度。為了了解這種適應性反應的調控，我們研究了主動脈平滑肌細胞（SMC）在對血管緊張素 II（Angiotensin II）輸注的適應性反應過程中的轉錄組和表觀組程序，并確定了其在防止主動脈瘤和夾層（AAD）方面的重要性。在 AngII 輸注誘導的散發(fā)性 AAD 小鼠模型中進行了scRNA -seq和scATAC-seq。在野生型小鼠中，輸注 AngII 增加了胸主動脈的內側厚度。單細胞 RNA 測序分析顯示，胸腔 SMC 存在適應性反應，其特點是基因上調，這些基因在傷口愈合、彈性蛋白和膠原蛋白生成、增殖、遷移、細胞骨架組織、細胞-基質灶粘附、PI3K-PKB/Akt（磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶 B/Akt）和 TGF-β（轉化生長因子 beta）信號轉導中發(fā)揮作用。ScATAC-seq分析顯示，適應基因調控區(qū)域的染色質可及性增加，并發(fā)現(xiàn)機械傳感器YAP/轉錄增強關聯(lián)域是驅動這些基因（如Lox、Col5a2、Tgfb2）表達的首要候選轉錄復合物。在培養(yǎng)的人主動脈SMC中，循環(huán)拉伸激活了YAP，YAP直接與適應性基因調控區(qū)（如Lox）結合，并增加了它們的轉錄本豐度。小鼠 SMC 特異性 Yap 缺失損害了 SMC 的這種適應性反應，導致 AAD 發(fā)生率增加。結論：主動脈應激觸發(fā)了胸主動脈 SMC 適應性反應（如傷口愈合、增殖、基質組織）的系統(tǒng)表觀遺傳誘導，這種反應依賴于功能性生物力學信號轉導（如 YAP 信號轉導）。研究強調了適應性反應在維持小鼠主動脈穩(wěn)態(tài)和預防 AAD 方面的重要性。

7、scRNA-seq和scATAC-seq聯(lián)合分析揭示肝類器官的異質性

         為更深入地了解器官組織的轉錄組和表觀基因組，對兩種狀態(tài)（可擴展和更分化）的肝臟類器官組織進行scRNA-seq和scATAC-seq分析。已分化肝細胞的線粒體基因表達高于未分化肝細胞，ATAC-seq峰值在線粒體控制區(qū)附近增加。肝臟類器官組織的分化導致了作為增強子和抑制因子的轉錄因子的表達。此外，調節(jié)甲胎蛋白（AFP）和白蛋白（ALB）表達的表觀遺傳機制在肝臟類器官組織和成人肝臟中也有所不同。PDX1是胰腺發(fā)育過程中必不可少的轉錄因子，它的敲除通過調節(jié)AFP和ALB的表達導致肝臟類器官組織的肝成熟。這種在單細胞水平上對肝臟類器官組織轉錄組和表觀基因組的綜合分析有助于更好地理解肝臟發(fā)育過程中的調控網絡，并有助于進一步開發(fā)成熟的體外人類肝臟模型。

參考文獻：

1、 Wang J, Adrianto I, Subedi K, Liu T, Wu X, Yi Q, Loveless I, Yin C, Datta I, Sant'Angelo DB, Kronenberg M, Zhou L, Mi QS. Integrative scATAC-seq and scRNA-seq analyses map thymic iNKT cell development and identify Cbfβ for its commitment. Cell Discov. 2023 Jun 20;9(1):61. doi: 10.1038/s41421-023-00547-x. PMID: 37336875; PMCID: PMC10279728.

2、 Feng W, Liu S, Deng Q, Fu S, Yang Y, Dai X, Wang S, Wang Y, Liu Y, Lin X, Pan X, Hao S, Yuan Y, Gu Y, Zhang X, Li H, Liu L, Liu C, Fei JF, Wei X. A scATAC-seq atlas of chromatin accessibility in axolotl brain regions. Sci Data. 2023 Sep 14;10(1):627. doi: 10.1038/s41597-023-02533-0. PMID: 37709774; PMCID: PMC10502032.

3、 Yu Z, Lv Y, Su C, Lu W, Zhang R, Li J, Guo B, Yan H, Liu D, Yang Z, Mi H, Mo L, Guo Y, Feng W, Xu H, Peng W, Cheng J, Nan A, Mo Z. Integrative Single-Cell Analysis Reveals Transcriptional and Epigenetic Regulatory Features of Clear Cell Renal Cell Carcinoma. Cancer Res. 2023 Mar 2;83(5):700-719. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-22-2224. PMID: 36607615; PMCID: PMC9978887.

4、 Cai S, Hu B, Wang X, Liu T, Lin Z, Tong X, Xu R, Chen M, Duo T, Zhu Q, Liang Z, Li E, Chen Y, Li J, Liu X, Mo D. Integrative single-cell RNA-seq and ATAC-seq analysis of myogenic differentiation in pig. BMC Biol. 2023 Feb 1;21(1):19. doi: 10.1186/s12915-023-01519-z. PMID: 36726129; PMCID: PMC9893630.

5、 Hata M, Hata M, Andriessen EM, Juneau R, Pilon F, Crespo-Garcia S, Diaz-Marin R, Guber V, Binet F, Fournier F, Buscarlet M, Grou C, Calderon V, Heckel E, Melichar HJ, Joyal JS, Wilson AM, Sapieha P. Early-life peripheral infections reprogram retinal microglia and aggravate neovascular age-related macular degeneration in later life. J Clin Invest. 2023 Feb 15;133(4):e159757. doi: 10.1172/JCI159757. PMID: 36787231; PMCID: PMC9927938.

6、 Zhang C, Li Y, Chakraborty A, Li Y, Rebello KR, Ren P, Luo W, Zhang L, Lu HS, Cassis LA, Coselli JS, Daugherty A, LeMaire SA, Shen YH. Aortic Stress Activates an Adaptive Program in Thoracic Aortic Smooth Muscle Cells That Maintains Aortic Strength and Protects Against Aneurysm and Dissection in Mice. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2023 Feb;43(2):234-252. doi: 10.1161/ATVBAHA.122.318135. Epub 2022 Dec 29. PMID: 36579645; PMCID: PMC9877188.

7、 Kim JH, Mun SJ, Kim JH, Son MJ, Kim SY. Integrative analysis of single-cell RNA-seq and ATAC-seq reveals heterogeneity of induced pluripotent stem cell-derived hepatic organoids. iScience. 2023 Aug 18;26(9):107675. doi: 10.1016/j.isci.2023.107675. PMID: 37680467; PMCID: PMC10481365.