小鼠大脑是一个由数百万细胞和复杂解剖结构构成的器官。单细胞转录组和表观基因组技术的最新进展正助力于揭示这些细胞多样性背后的分子机制。
单细胞测序网讯：2023年12月13日，Salk研究所Joseph R. Ecker团队（共同一作为刘翰青和曾秋瑞）在Nature发表了文章Single-cell DNA methylome and 3D multi-omic atlas of the adult mouse brain。本研究以对大脑发育和神经细胞功能至关重要的表观遗传修饰——DNA甲基化为起点，构建了迄今为止最为全面的哺乳动物全脑甲基化和三维基因组的分子图谱，详细描述了大脑中各类细胞及其基因调控网络。在本研究中，研究人员分析了来自117个解剖切片的单细胞 DNA 甲基化测序（snmC-seq3）和甲基化联合三维基因组测序（snm3C-seq）数据。研究人员成功获取了30万个高质量的甲基组单细胞和17万个结合甲基组与三维基因组信息的单细胞数据。这些数据涵盖了小鼠脑中多个关键区域，包括新皮质（isocortex）、嗅球（olfactory bulb）、海马结构（hippocampal formation）、纹状体（striatum）、脑皮质（pallidum）、杏仁核（amygdala）、丘脑（thalamus）、下丘脑（hypothalamus）、中脑（midbrain）、桥脑（Pons）、髓质（medulla）和小脑（cerebellum）。为处理这些达到兆兆字节（TB）规模的单细胞数据，研究人员利用了AllCools（见Github链接：https://github.com/lhqing/ALLCools）进行迭代聚类和数据整合。此外，还整合了BICCN脑计划中的转录组数据集（10X RNA）和细胞染色质可及性数据集（snATAC-seq），从而构建了一个包含四种组学数据的细胞分类图谱。该图谱包括4,673个细胞群组和274个多组学注释的细胞亚类。在该研究中，在整个基因组范围内共鉴定了约260万个差异甲基化区域（Differentially Methylated Regions, DMRs）。这些区域中甲基化水平与染色体的可及性呈高度负相关，暗示它们可能是候选的顺式调控元件（candidate cis-regulatory elements, cCREs），研究人员预测这些cCREs在基因调控过程和神经元功能中扮演关键角色。值得一提的是，研究人员发现不同细胞的基因组甲基化模式与其在大脑中的空间定位密切相关。为验证这一发现，研究人员对单细胞 DNA 甲基化测序（snmC-seq3) 与空间转录组学数据集（MERFISH）进行了整合分析。值得注意的是，研究人员可以将snmC-seq3中单细胞精确的预测到其所在的MERFISH上脑区，证实了空间表观遗传多样性与转录活动之间的联系。此外，通过比较数百种不同的神经细胞亚类，研究人员还发现三维基因组结构也与 DNA 甲基化高度相关。具体而言，在将基因组分为A/B染色质区室（A/B compartment）后，A区室表现出更高的活性和更低的DNA甲基化水平。同时，A区室中的基因与神经系统的发育密切相关。有趣的是，相对于较短的基因（< 100Kb），较长的基因（>100Kb）周围的转录起始位点（Transcription Start Site，TSS）和转录终止位点（Transcription Termination Site，TTS）更容易成为拓扑结构域（Topologically Associating Domain，TAD）的边界。通过整合包含四个组学数据的数据集，研究人员构建了一个全脑基因调控网络 —— 其中包括转录因子（Transcription Factor）、调控元件（Cis Regulatory Element）及其潜在下游基因靶标（Target Gene）的全脑调控网络。主要方法是，利用基因上mCH甲基化和基因表达负相关、以及DMRs上的mCG甲基化和染色质可及性负相关的关系，计算出两两之间在274个细胞亚型类间的的相关性。并且，研究人员运用Taiji里面的PageRank算法，进一步确定每个细胞亚类最关键的转录因子。这种方法的一个优势是，即使一些转录因子的表达量很低，也具有其在细胞亚型中的独特性。最后，通过整合全长转录组测序数据集（SMART-seq），研究人员发现即使是同一个基因上，不同的剪切异构体（Isoform）在不同细胞型中的表达程度也存在差异。通过分析基因及周围单甲基位点的甲基化程度与Isoform表达量的相关性，研究人员预测了预测了不同Isoform的甲基化调控区域。同时，研究人员采用机器学习的方法，用基因内DNA甲基化和染色质构象模式预测了Isoform在不同细胞亚类中的表达。以上发现，揭示了表观遗传学参与调控同一基因在不同细胞之间的转录多样性。综上所述，该研究建立了一个全脑、单细胞 DNA 甲基化和三维多组学图谱，并且与脑计划中的其他全脑数据集进行了全面整合。这些结果为理解小鼠大脑的细胞-空间多样性，以及研究基因转录调控提供了宝贵的资源。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06805-y
