Droplet Hi-C：推动单细胞染色质构象研究的新工具

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1193次浏览发布时间：2024-10-24 11:38:21

　　加州大学圣地亚哥分校的任兵课题组近期在《Nature Biotechnology》期刊上发表了名为《Droplet Hi-C enables scalable, single-cell profiling of chromatin architecture in heterogeneous tissues》的研究论文，介绍了一种新型的高通量单细胞染色质构象捕获技术——Droplet Hi-C。这项技术的开发将为研究三维基因组在发育及疾病中的作用，尤其是癌症和脑科学领域，提供全新的工具。

　　技术背景与创新

　　传统的单细胞Hi-C技术在时间和样本处理上存在诸多限制，难以实现大规模的染色质结构分析。为了解决这一问题，研究团队结合了色质构象捕获技术与商业化的单细胞高通量微流控平台，成功推出了Droplet Hi-C。该技术能够在约10小时内，获得来自数万个单细胞的染色质结构测序文库。通过对这些数据的聚类分析，Droplet Hi-C能够有效地区分混合样本中的不同细胞群体，并在小鼠大脑皮层中成功鉴别多种细胞类型，结果与传统低通量单细胞Hi-C的分群结果一致。

　　染色质高级结构的研究

　　研究团队还探讨了细胞类型特异性染色质结构与表观遗传修饰及基因表达之间的关系。通过建立识别染色质多重互作区域的算法，研究者发现与细胞命运相关的基因元件(如超级增强子和特异表达基因)通常富集在这些区域。Droplet Hi-C技术不仅可以高效分析不同细胞类型的染色质结构，还能够建立染色质结构与基因表达之间的联系。

　　在癌症研究方面，Droplet Hi-C展现出其强大的应用潜力。以结肠癌和胶质母细胞瘤为例，该技术能够在单细胞层面检测基因组拷贝数变异及染色质结构的变化，包括染色体外环状DNA(ecDNA)。ecDNA在肿瘤细胞中的扩增与抗药性发展密切相关，Droplet Hi-C通过多特征结合的卷积神经网络模型，有效区分单细胞内特定基因组位点是否在ecDNA上。

　　动态监测ecDNA变化

　　研究团队利用Droplet Hi-C进一步研究了胶质母细胞瘤细胞对EGFR抑制剂的耐药性，观察到携带EGFR的ecDNA在耐药性发展过程中消失，而携带MYC基因的ecDNA则出现增多。这一动态变化揭示了ecDNA在肿瘤进化过程中的关键作用，并通过测序与成像结果相结合，证实了处理前后ecDNA的结构异质性显著变化。

　　研究者还在胶质母细胞瘤患者样本中检测到ecDNA，发现染色质结构的差异能够有效区分恶性肿瘤细胞与非恶性细胞，并在恶性细胞群体中进一步划分不同的细胞状态。这些细胞状态的差异与基因表达及增殖能力密切相关，联合单细胞转录组分析显示了ecDNA在不同细胞状态下的拷贝数及基因表达水平存在显著差异。

　　Paired Hi-C技术的进一步发展

　　为了深入解析染色质结构与基因表达之间的关系，研究团队还开发了Paired Hi-C技术，能够同时捕获单细胞中的染色质结构与转录水平。这一技术的应用不仅提升了细胞类群注释的准确性，还能定量分析染色质互作对基因表达的影响。研究结果表明，ecDNA区域的基因表达变化与其结构变化高度相关，而与ecDNA互作的基因组位点的基因表达水平普遍较高。

　　结论

　　Droplet Hi-C技术的问世为研究三维基因组在发育与疾病中的作用提供了全新的方法，尤其是在脑科学和癌症领域。结合ecDNA预测模型，Droplet Hi-C为探索ecDNA及其染色质互作在癌症中的作用，提供了新的研究工具，为临床诊断及个性化药物治疗方案的制定提供了新的可能性。这项研究不仅为基础科学提供了重要的实验手段，也为未来的临床应用铺平了道路。

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