6 月 16 日，北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬课题组在 Cell Research 杂志在线发表了最新研究论文，在早期胚胎及胚胎干细胞单细胞多重测序技术获得重要突破。研究团队表示，已开发了一种单细胞多重测序技术(单细胞 COOL-seq)，可以在相同的哺乳动物细胞同时分析染色质状态 / 核小体定位、DNA 甲基化、拷贝数变异和倍性。
       

研究人员表示，这是第一次在单细胞内、在全基因组范围内多层观察染色质的可及性和 DNA 甲基化，突出了 DNA 甲基化和染色质状态的不同模式和功能。该研究在国际上率先发展了对一个单细胞同时进行染色质状态、DNA 甲基化、基因组拷贝数变异，以及染色体倍性的全基因组测序技术，并采用这一技术在单细胞分辨率上系统、深入地解析了小鼠着床前胚胎发育过程中表观基因组重编程的关键特征，以及染色质状态与 DNA 甲基化之间的互动关系。该工作为今后人们继续研究哺乳动物早期胚胎细胞全能性和多能性的开启奠定了基础，同时为体细胞克隆效率的提高以及早期胚胎发育异常的诊断与治疗提供了新思路。


如今，单细胞表观基因组测序技术已经逐步走入研究者视野。此前，研究者开发的单细胞表观遗传学测序技术包括单细胞 DNA 甲基化测序、单细胞 Hi-C、单细胞 ChIP-seq、单细胞 DamID、单细胞 DNA 酶 I -SEQ 和单细胞 ATAC-SEQ 等。此外，已经开发的单细胞 DR-seq、单细胞 M&T-seq 和单细胞 Trio-seq 方法，可以同时分析单个细胞的基因组转录组、DNA 甲基转录组和基因组转录组 DNA 甲基化数据。然而，这些方法虽然可以做到单细胞分辨率，但却无法对同一个单细胞的各个表观基因组层面同时进行分析，因而无法在单细胞分辨率上对多种组学之间的互动关系进行研究。本次发表的最新技术实现了对同一个单细胞进行多达 5 个层面的基因组和表观基因组特征的分析。
       

研究者使用这种方法来分析小鼠植入前胚胎中染色质状态和 DNA 甲基化的重新编程。他们发现受精后 12 小时以内，来自高度特化的卵细胞和精子的雌雄原核就经历了大规模的基因组去甲基化，并首次在单细胞分辨率系统分析了小鼠着床前胚胎发育过程中染色质状态的异质性。这项研究提供了对早期小鼠胚胎中单基因分辨率的基因组、染色质状态和 DNA 甲基化动力学的第一次单细胞亲本等位基因特异性分析，并为表观基因组重新编程的特征提供了新的处理建议。
       

此次研究中，研究者检测了单个 ES 细胞中 RefSeq 基因多数启动子区的染色质开放程度和内源性 DNA 甲基化水平。这种方法还可以检测来自单个 ES 细胞的大多数 CpG 岛的染色质开放度和内源性 DNA 甲基化水平。相比之下，目前公开的单细胞表观遗传学测序技术通常只有效率为 1%-25%，而此方法可以同时检测超过 70%的 RefSeq 基因的启动子区域的染色质状态和 DNA 甲基化状态。
       

考虑到单细胞表观基因组测序技术的相对低的覆盖率，最理想的状态是明确地区分染色质状态，包括闭合状态和未检出的状态。据称，scCOOL-seq 是唯一可以实现这一点的单细胞染色质测序方法。此外，scCOOL-seq 可以同时检测同一个体细胞中染色质状态、核小体定位、内源 DNA 甲基化、CNV 倍性的开放性，这将大大增强单个细胞内不同遗传和表观遗传层之间的复杂关系的分析能力。因此，该方法在研究生理条件(例如胚胎发育和病理状况)方面具有广泛的应用。
       

参考资料：Single-cell multi-omics sequencing of mouse early embryos and embryonic stem cells