遺傳多樣性隨著衰老而增加

染色質修飾包括組蛋白轉錄后修飾，組蛋白多樣性。連同DNA一起調控表觀遺傳表型。雖然染色質修飾在多種生理學過程和人類疾病中都有重要的意義，但是由于此前存在的技術檢測通道有限，無法同時檢測各種免疫細胞亞群特異性marker和各種染色質修飾。因此在人類免疫細胞中進行染色質研究具有挑戰性。近期出現的一個技術突破——質譜流式技術，可以在少量細胞甚至是單細胞中進行四十種以上參數采集，可以完美應對這一挑戰。斯坦福大學Alex J. Kuo實驗室利用該技術，設計了進行表觀遺傳研究的Panel Assay——epiTOF，將其運用到免疫細胞的組蛋白轉錄后修飾研究上。其成果近期（2018年5月）在Cell上發表。在文章中，利用epiTOF對人的免疫細胞進行單細胞分析，描述了不同免疫細胞亞群中染色質修飾種類和水平概觀。其實驗結果揭示了1根據染色質修飾形態可將免疫細胞分出特定亞群。2個體和細胞之間的染色質修飾多樣性隨著衰老而增加。3與衰老相關的染色質修飾變化主要受到非遺傳因素的影響。 這一研究把質譜流式技術的應用擴展到表觀遺傳學領域。

該研究選取24位健康人PBMC樣本，在22種主要的免疫細胞亞群中檢測8種組蛋白修飾類型和4種組蛋白（組蛋白類型和修飾類型請見Fig1），每個細胞中采集和分析的參數達到70種以上。由于質譜流式檢測到的數據是多參數和單細胞的，因此可以根據免疫細胞的染色質修飾情況進行表觀遺傳分群。結果顯示，靜息的免疫細胞顯示出亞群特異的染色質修飾特征；淋巴來源和骨髓來源的免疫細胞具有各自特異的標記特征；單細胞的染色質修飾組成的分子標記可以預測該細胞的類型。作者把24位健康人分為兩組進行研究，每組包括6位25歲以下的年輕人（3男3女）和6位65歲以上的老年人（3男3女），通過年輕人和老年人的染色質修飾情況對比發現，隨著衰老，個體間和細胞間的染色質修飾差異性顯著增加。對于19對雙胞胎的染色質修飾研究發現，70%的差異性增加情況是由于環境因素導致的。總之，這篇文獻開發了一個高通量多參數的研究方法，用于人類免疫細胞中進行單細胞水平的染色質修飾研究，研究結果揭示了衰老影響表觀遺傳的機制以及自然和營養在衰老的人類細胞中染色質動態中的相關貢獻。

作者首先對免疫細胞亞群中的各種染色質修飾概況進行了研究（Fig2，對應原文Fig1C）。染色質修飾數據的標準化是采用線性回歸模型，利用整體組蛋白表達作為預測變量。數據分析集中在修飾水平和差異性。整體變化如Fig2所示。修飾具有亞群特異性，比如，CD4+T細胞和CD8+T細胞表現出相似的修飾表型，NK細胞的所有修飾水平相對于其他亞群都處于低水平。此外，在CD14+ Monocytes中，cleaved H3 Thr22修飾以及PADI4表達水平顯著升高。而組蛋白變體H3.3表達和H3K27me修飾水平下降。逆辛普森多樣性指數分析（ISDI）顯示cleaved H3 Thr22和H2A.Z修飾具有最大的樣本間差異性，macroH2A， PADI4，和H2BK120ub顯示出最小的樣本間差異性等。對于以上發現，作者采用傳統流式進行了驗證，結果完全一致。聚類算法顯示，骨髓來源的免疫細胞相對于淋巴來源的免疫細胞具有以下特征： H3.3和H3K27me3修飾水平降低，cleaved histone H3 Thr22， H3K36me1水平升高， PADI4 表達。此外作者還發現H3K27me3的賴氨酸甲基化轉移酶EZH1和 EZH2在淋巴前體細胞和T細胞中的表達量遠高于骨髓前體細胞和Monocytes。這個發現支持了H3K27me3修飾水平區別決定HSC分化方向的假說。作者隨后進行的ChIP-seq研究結果同樣驗證了這一結論。