莊小威院士：新成像方法測量染色質的表觀遺傳修飾

　　空間組學方法的最新發展使得單細胞轉錄組分析和三維基因組組織具有較高的空間分辨率。空間分辨單細胞表觀基因組學方法將擴展空間組學工具的知識庫，加速對細胞和組織功能的空間調節的理解。

　　2022年10月21日，哈佛大學莊小威團隊在Cell 在線發表題為“Spatially resolved epigenomic profiling of single cells in complex tissues”的研究論文，該研究報道了一種單細胞空間分辨表觀基因組譜的方法，使用原位標記和轉錄，然后是多重成像。

　　該研究展示了在單個細胞中標記活性啟動子、推定增強子和沉默啟動子的組蛋白修飾的能力，并生成了胚胎和成年小鼠大腦中數百個活性啟動子和推定增強子的高分辨率空間圖譜。該研究結果表明，假定的啟動子-增強子對和增強子樞紐調節發育重要基因。總之，該方法將普遍適用于表觀遺傳修飾和DNA結合蛋白的空間分析，將促進我們對基因表達如何受表觀基因組時空調節的理解。

　　基因表達的時空調控對細胞和組織的發育和功能起著至關重要的作用。表觀基因組中編碼的調控信息，如組蛋白和DNA修飾，使基因在發育過程中產生不同的細胞類型的差異激活或抑制。基于測序的方法傳統上被用于分析組蛋白和DNA修飾的細胞集合。最近，表觀遺傳測序技術已經擴展到單細胞水平，以實現對單個細胞中染色質可及性和表觀遺傳修飾的表征。

　　然而，在基于測序的方法中，細胞的空間背景是丟失的，需要細胞分離。另一方面，表觀遺傳特性的空間信息，如標記活性增強子和啟動子的表觀遺傳修飾，對于理解表觀基因組如何在復雜組織的原生環境中塑造細胞類型的發育和控制細胞狀態至關重要。例如，在胚胎大腦發育過程中，形態發生梯度和轉錄因子形成復雜的空間模式，產生無數的神經祖細胞，注定成為不同類型的神經元和非神經元細胞。

　　最近的證據表明，不同的增強子招募可能有助于在發育中的大腦中產生精細劃定的區域，微調轉錄因子和形態形成梯度產生的廣泛模式。來自這些區域的祖細胞在不同的大腦區域產生不同的神經元亞型。此外，在成人大腦中，來自不同亞型和皮層的神經元表現出不同的染色質可達性和表觀遺傳修飾譜。這些觀察結果強調了高空間分辨率表觀基因組作圖的必要性。在胚胎和成人的大腦中，已經發現了數以萬計的表觀遺傳元素，如假定的增強子，但這些元素的空間分布仍不清楚。這些表觀遺傳元素的高分辨率空間分析將極大地促進表觀基因組的功能理解。

文章模式圖（圖源自Cell ）

　　轉基因方法將增強子序列融合到一個報告表達盒中，進入動物體內，已被用于測量小鼠胚胎大腦中數千個假定增強子的空間模式，這是一項跨越10多年的英勇努力。這種方法需要大量克隆和培育轉基因動物。此外，在增強子活性由相鄰報告子顯示的環境中，映射增強子可能并不總是重現內源性表觀遺傳活性。因此，一種能夠以高通量的方式繪制單個細胞的內源性表觀遺傳活動(如活性增強子和啟動子)的空間分析方法很有需求。此外，這種空間表觀基因組學方法必須具有高基因組分辨率，因為表觀遺傳元素通常很短(約1千堿基[kb]或更短)。

　　最近，空間基因組學方法已經開發出來，利用基于成像的單細胞分辨率方法(多路熒光原位雜交(FISH)和原位測序)或空間分辨率的RNA捕獲后測序來分析轉錄組。基于成像的方法還允許在基因組尺度上測量單個細胞中DNA的3D組織，成像數千個染色質位點，基因組分辨率為幾十kb到Mb。基因組尺度的染色質成像也與蛋白質成像相結合，研究染色質位點與核結構(包括核體和組蛋白標記)之間的空間關系，但由于成像分辨率有限，很難確定與組蛋白標記信號共定位的染色質位點是否確實攜帶這些標記。

　　擴展顯微鏡（Expansion microscopy）可以提高確定染色質位點表觀遺傳狀態的準確性，并已被證明可以在10-kb分辨率成像一些基因組位點的組蛋白修飾。然而，由于圖像分辨率有限和難以檢測短序列，對大多數約1 kb或更短的基因調控元件的表觀遺傳狀態成像仍然具有挑戰性。因此，一種能夠對單個細胞中染色質進行表觀遺傳狀態成像的高基因組分辨率和高基因組通量的技術仍然缺乏。

　　在這里，該研究開發了一種成像方法，以高基因組通量和高基因組分辨率來測量單個細胞中染色質的表觀遺傳修飾。該研究展示了成像基因組位點的能力，短至幾百個堿基，識別它們的表觀遺傳狀態，并繪制它們的空間分布。該研究成像組蛋白修飾標記了單個細胞中的活性啟動子、假定的啟動子和沉默啟動子，并展示了亞核分辨率的表觀基因組譜。該研究進一步使用這種方法在胚胎和成年小鼠大腦中繪制了數百個活躍的啟動子和假定的增強子。總之，該方法將普遍適用于表觀遺傳修飾和DNA結合蛋白的空間分析，將促進我們對基因表達如何受表觀基因組時空調節的理解。