scATAC-seq:单细胞分辨率的染色质可及性,更高精度地探索细胞内部的调控机制
项目简介
ATAC-seq自问世以来,凭借其便捷的操作、低细胞需求量和高信噪比等优势,迅速成为研究染色质可及性的强大工具。其应用价值体现在多个方面,包括识别基因调控元件、研究转录因子结合、发现潜在标志物等。并广泛应用于基因调控、细胞发育分化、疾病研究和基因组三维结构等多个研究领域,推动产生了多项重大研究成果。
为满足更高层次的研究需求,在单细胞水平上实现更精细的染色质可及性研究。表观生物正式推出基于华大平台的单细胞表观组学产品scATAC-seq,通过高效的捕获磁珠及文库试剂盒,最大程度保证了scATAC文库制备的稳定性和重复性。更低成本,更优数据;细胞捕获效率高达60%以上;双胞污染率,在捕获15,000细胞核时<6%;周期短,1天内可完成文库制备工作。通过scATAC-seq,可监测异质细胞群体中染色质可及性状态的动态变化,更高精度的细胞状态识别对于生成发育轨迹、细胞分化和疾病相关的细胞状态变化至关重要。提供对基因调控更深入的理解。
技术流程
1. 将细胞或组织制备细胞核悬液,加入Tn5转座酶进行批量切割插入
2. 细胞核标记与分选,生成液滴(DNBelab C4配备4个独立控制的微流控通路,支持1-4样本的灵活上样。scATAC文库制备过程中的细胞核分离、标记过程仅需6分钟)
3. 回收液滴进行PCR,破乳回收DNA,构建单细胞ATAC文库
4. 文库pooling后进行高通量测序(DNBSEQ-T7日产可高达7 Tb,4联载片平台,支持PE150和PE100不同读长并行测序)
技术应用与优势
技术优势
较传统ATAC-seq的优势:
1. 单细胞分辨率,识别单个细胞的染色质可及性特征,识别稀有细胞类型,理解独特调控特征
2. 描述特定于细胞类型或谱系的调控元件
3. 在生成发育轨迹、细胞分化和与疾病相关的细胞状态变化时,具备更高的准确性
4. 能够在小细胞群体或过渡状态下检测稀有的染色质可及性变化5. 动态变化的高准确性追踪
技术应用
1. 分析异质细胞群体的染色质可及性,识别细胞类型和亚型,揭示基因调控机制和细胞分化过程
2. 监测染色质可及性的动态变化。比如,可以跟踪不同发育阶段的动态变化,以理解细胞如何随时间改变基因表达。
3. 通过峰值调用和细胞聚类分析等,识别开放染色质区域,推断基因表达潜力,并关联调控元件与目标基因
4. 可与scRNA-seq数据整合分析,关联染色质可及性和基因表达模式,可以发现差异表达基因是否也具有显著的染色质可及性差异,揭示细胞功能的调控机制。
送样要求
细胞
细胞量≥2×105,细胞活性>85%,细胞大小5-40 um,细胞结团比例<10%,细胞悬液中无明显细胞碎片等杂质
组织
≥0.1g/样本
分析内容
基本分析
1. 原始reads过滤与比对
2. 质控:插入片段长度分布、peak片段数等
3. TSS富集分数
4. 低质量细胞过滤
5. 降维聚类分析
6. 细胞类型注释
高级分析
1. Motif分析
2. 细胞轨迹分析
3. Peak相关基因富集分析(GO/KEGG)
4. 个性化分析定制
图1. TSS富集分数密度图
实测数据
图2. 插入片段长度分布图
图3. 聚类分群UMAP图
图4. 细胞类型注释
图5. IGV峰图
图6. GO富集分析气泡图
图7. 细胞轨迹分析UMAP图
案例解读
Nat Immunol:IRF8定义小胶质细胞表观遗传景观,调控其出生后发育并影响阿尔茨海默病进展[1]
这项研究探讨了干扰素调节因子8(IRF8)在出生后小胶质细胞发育和阿尔茨海默病发病机制中的作用。为了解IRF8如何调控小胶质细胞的出生后成熟,作者使用了多种测序技术,包括CUT&RUN、RNA-seq、ATAC-seq、WGBS、scRNA-seq与scATAC-seq联合分析。通过分析IRF8结合位点、转录组、染色质可及性、DNA甲基化和单细胞基因表达,研究发现IRF8在出生后逐步结合到小胶质细胞的增强子区域,协调表观遗传变化,从而指导小胶质细胞特异性基因的表达。其中,作者为了探究IRF8对小胶质细胞染色质可及性的影响及其与转录组的关联,研究人员使用scATAC-seq分析了野生型和IRF8cKO小胶质细胞的染色质可及性图谱、转录因子结合基序、以及染色质可及性与基因表达的关系。此外,还分析了5xFAD模型中吞噬Aβ斑块的小胶质细胞的染色质状态,并与IRF8缺失的影响进行了比较。这项研究表明,IRF8对于建立出生后小胶质细胞的表观遗传图谱和转录程序至关重要,并暗示IRF8可能是AD治疗的潜在靶点。
图1. a)基于scATAC-seq数据的UMAP降维图;b)野生型和 IRF8cKO 细胞在不同聚类中的比例;c)scATAC-seq聚类与scRNA-seq聚类之间的对应关系;d)差异可及性峰的火山图;e)差异可及性区域的motif分析结果;f)不同cluster之间的差异可及性区域
图2. scATAC-seq聚类的代表性IGV峰图
这项研究揭示了长链非编码RNA MALAT1 是 TET2 突变导致的致癌性炎症前馈回路中的关键下游效应因子,该回路是 TET2 突变型克隆性造血(CH)和爆发性髓系恶性肿瘤发生所必需的。为了探究 TET2 突变如何增强炎症及促使髓系恶性肿瘤发生,作者使用了scRNA-seq、scATAC-seq以及多组学分析(scRNA-seq+scATAC-seq)对伴有和不伴有TET2突变型CH的COVID-19患者的样本进行分析,并结合小鼠模型进行体内验证。通过分析差异基因表达、染色质可及性、转录因子结合位点和细胞因子水平,他们发现TET2功能缺失突变通过降低转录抑制因子EGR1的活性来上调MALAT1的表达。MALAT1通过与P65物理相互作用并抑制PP2A对其的去磷酸化作用,从而增强NF-κB的活性,进而促进促炎细胞因子(如IL-6)的产生,最终建立致癌性炎症前馈回路,促进髓系转化。scATAC-seq数据用于分析单细胞分辨率的染色质可及性,并与转录因子结合位点数据(来自ReMap2022数据库)、ENCODE联合体注释的候选顺式调控元件(CCRE)以及scRNA-seq数据进行联合分析,以确定TET2 LOF对转录因子结合和基因表达的影响。此外,作者还使用scRNA-seq数据进行了进化轨迹分析,以注释正常人类和小鼠造血过程中MALAT1的表达。这项研究表明抑制MALAT1可能是减轻TET2突变驱动疾病(包括CH和髓系恶性肿瘤)的有效临床策略。
Cancer Discov:MALAT1介导的P65 RNA屏蔽增强TET2突变型克隆性造血中的致癌性炎症[2]
图1. A)在COVID-19+/TET2MT组中,髓系细胞的染色质可及性降低,尤其是在单核细胞中,这表明TET2突变可能通过增强子和启动子甲基化导致染色质可及性降低。B)比较了COVID-19+/CH-组和COVID-19+/TET2MT组的CD14单核细胞。所有峰(左)、含CpG位点的峰(中)和不含CpG位点的峰(右)
图2. 展示了MALAT1基因座周围的多种基因组特征,用以说明EGR1如何调控 MALAT1的表达,并且这种调控如何被TET2突变所扰乱。该图的关键在于展示了EGR1结合位点与MALAT1 TSS之间的共可及性连接仅在COVID-19+/CH-组中观察到,而在COVID-19+/TET2MT组中没有观察到。这表明TET2突变可能通过影响EGR1与MALAT1调控元件的结合来改变MALAT1的表达
参考文献
[1]Saeki K, Pan R, Lee E, Kurotaki D, Ozato K. IRF8 defines the epigenetic landscape in postnatal microglia, thereby directing their transcriptome programs. Nat Immunol. 2024;25(10):1928-1942.
[2]Ben-Crentsil NA, Mohammed Ismail W, Balasis ME, et al. RNA shielding of P65 is required to potentiate oncogenic inflammation in TET2 mutated clonal hematopoiesis. Cancer Discov. Published online August 27, 2024.