NatureMethods：北大湯富酬團隊揭示單個細胞內高階染色質結構

　　調控基因組元件的高階三維(3D)組織為基因調控提供了拓撲基礎，但尚不清楚哺乳動物基因組中的多個調控元件如何在單個細胞內相互作用。

　　2023年8月28日，北京大學湯富酬團隊在Nature Methods （IF=48）在線發表題為“scNanoHi-C: a single-cell long-read concatemer sequencing method to reveal high-order chromatin structures within individual cells”的研究論文，該研究開發了scNanoHi-C，它應用納米孔長讀測序來探索單個細胞內全基因組近端高階染色質接觸。

　　研究表明，scNanoHi-C可以可靠有效地描繪三維染色質結構，并區分單個細胞的結構亞型。該方法還可用于檢測基因組變異，包括拷貝數變異和結構變異，以及支撐單細胞基因組的從頭組裝。值得注意的是，研究結果表明，在整個基因組的活性染色質區域中存在廣泛的高階染色質結構，并且在單個細胞中系統地鑒定了增強子與其靶啟動子之間的多向相互作用。總之，scNanoHi-C為在單細胞水平上研究高階三維基因組結構提供了新的機會。

　　在真核生物細胞核中，不同的染色體占據由染色體室(A/B室)組成的不同區域，并在更精細的尺度上進一步劃分為拓撲相關結構域(TADs)。TADs通常被認為是由染色質環的動態擠壓形成的。得益于依賴近端DNA片段連接的染色體構象捕獲(3C)技術及其衍生技術(如4C、5C和Hi-C)的發展，過去幾十年在分析三維基因組結構方面取得了重大突破。越來越多的證據表明，哺乳動物基因組以一種空間組織的調控網絡的形式工作，多個增強子的存在不僅賦予調控元件突變的耐受性，而且還構建功能性超級增強子來驅動關鍵基因的高水平表達。然而，其潛在機制尚不清楚。

　　近年來，一些為高階染色質相互作用提供新見解的技術已經開發出來，包括基于鄰近連接的方法，如TM3C、c-walk、COLA、MC-4C和Tri-C，盡管這些方法主要集中在基因組中的特定位點或覆蓋范圍有限。一些免連接方法，如 SPRITE、ChIA-drop和 GAM16，也有一定的應用價值。這些方法使用交聯和染色質復合物的碎片化或激光顯微解剖來檢測多路DNA相互作用。特別是，最近開發的Pore-C方法在使用Oxford Nanopore Technologies (ONT)長讀測序平臺檢測高階相互作用方面表現出色，該平臺可以通過應用新的統計方法有效地分析全基因組的多路合作。

scNanoHi-C方案示意圖（圖源自Nature Methods ）

　　盡管這些基于群體的方法已經顯示出它們在三維基因組中探索精確相互作用的能力，但個體細胞之間的異質性尚未得到解決。此外，分散在整個基因組中的多個功能調控元件如何通過基因組結構構象進行組織，以確保基因在單個細胞內以時空方式進行微調表達，只能通過單細胞方法進行研究。最近，人們努力開發基于鄰近連接的單細胞方法(scHi-C)，但由于下一代測序(NGS)平臺的讀取長度限制，單細胞中多向相互作用的檢測仍然具有挑戰性。除了FISH成像的超分辨率染色質追蹤之外，scSPRITE是唯一一種可以在單細胞中大規模測量無連接策略的高階相互作用的方法，但它在檢測直接和短程多路調節相互作用方面的能力有限。

　　為了解決這些挑戰，該研究利用ONT平臺開發了一種基于近端相互作用的單細胞3C方法，稱為scNanoHi-C，該方法首次能夠在單細胞中以高效率(約50%)檢測近端(<200 nm)高階相互作用。此外，scNanoHi-C可以靈活地通過不同的測序策略來滿足不同的實驗需求。此外，該研究還開發了一個強大的工作流程，用于預處理和分析scNanoHi-C數據，該數據采用多種統計方法來闡明單細胞中染色質結構的高階相互作用和異質性。總之，該研究揭示了單細胞長讀Hi-C技術在分析高階三維染色質結構介導的單細胞基因調控網絡的異質性方面的潛力。該方法將激發人們對發育和疾病過程中高階染色質結構變化機制的極大興趣，并可以為細胞類型特異性轉錄調控網絡提供更深入的理解。