Nat Biotechnol：解析单细胞组蛋白修饰动态关系的新方法：scChIX-seq

导读

动物中的基因表达依赖于表观遗传标记（如组蛋白修饰等），以调节基因组在不同细胞类型中的可及性和功能。目前，在不同细胞群中表征不同组蛋白修饰的大规模研究工作通常使用染色质免疫沉淀测序法（ChIP-seq）来完成，但每个单细胞只能检测一个组蛋白修饰。近年来，基于酶的染色质免疫切割技术（ChIC）逐渐成为ChIP-seq的替代策略，其可减少表观基因组的背景信号，并使组蛋白修饰的单细胞分析成为可能。

荷兰Oncode研究所、乌得勒支大学医学中心等机构的研究团队在Nature Biotechnology发表了题为“scChIX-seq infers dynamic relationships between histone modifications in single cells”的文章。该研究提出了一个集成实验、计算的框架“scChIX-seq”（single-cell chromatin immunocleavage and unmixing sequencing），可用于绘制单细胞中的多个组蛋白标记。scChIX-seq可将两个组蛋白标记在单细胞中多路复用，并利用来自各自组蛋白标记谱的训练数据反卷积信号。

文章发表在Nature Biotechnology

主要研究内容

为分析单细胞中的两种组蛋白修饰，研究团队首先生成三个全基因组sortChIC数据集：两个数据集分别由两种组蛋白修饰抗体的单培养细胞产生，第三个数据集由两种组蛋白修饰抗体共同培养产生。使用两个单培养数据集作为训练数据，生成可能的全基因组组蛋白修饰谱对，并进一步组合生成假设的双重培养细胞修饰谱。对于每个双重培养的细胞，研究团队通过将每个片段匹配回其各自的组蛋白修饰谱中来反卷积多路复用数据。

scChIX-seq连接了不同组蛋白修饰的单细胞图谱，揭示了单细胞组蛋白修饰之间的关系。在这些相互关联的图谱中，来自一种染色质状态的信息（如细胞类型、组蛋白标记水平和拟时序等），可以转移到另一种染色质状态，最终可对单细胞中几种组蛋白修饰进行联合分析。

图1. scChIX-seq方法概述及示意图。来源：Nature Biotechnology

为检测scChIX-seq对于互斥且高度重叠的组蛋白修饰模式是否准确，研究团队将scChIX-seq应用于具有已知重叠量的模拟单细胞数据，在组蛋白修饰的不同重叠模式之间对其进行基准测试。检测结果证实，scChIX-seq可以准确地推断单细胞中相互排斥和重叠的组蛋白修饰模式。

scChIX-seq揭示骨髓中H3K4me1/H3K27me3的关系

研究团队利用小鼠骨髓中的B细胞、粒细胞和自然杀伤（NK）细胞三种已知细胞类型生成了sortChIC数据集，并将骨髓细胞分成三个技术批次：单独用抗H3K27me3抗体培养（单培养）；单独用抗H3K9me3培养（单培养）；同时使用抗H3K27me3和抗H3K9me3抗体培养（双重培养，H3K27me3 + H3K9me3）。

进一步，研究团队在复杂的细胞混合物中整合活性（H3K4me1）和抑制性（H3K27me3）染色质状态，使用scChIX-seq在活性和抑制性组蛋白修饰之间转移标记，并结合UMAP对这两种标记进行联合分析。接下来，研究团队将双重培养细胞反卷积成各自的组蛋白修饰。H3K4me1和H3K27me3的UMAP显示出单培养和反卷积的单细胞混合在一起，表明反卷积不产生批处理效应。上述结果表明，scChIX-seq允许细胞类型标记从一种组蛋白修饰系统地转移到另一种组蛋白修饰。

图2. scChIX-seq揭示骨髓中H3K4me1/H3K27me3的关系。来源：Nature Biotechnology

为验证单培养和反卷积数据集中预测的细胞类型，研究团队将其与FACS纯化的细胞类型数据进行了比较。结果显示，B细胞、红细胞、粒细胞和NK细胞的ChIP-seq与单培养及双重培养细胞的sortChIC之间的Pearson相关性最高。

小鼠器官发生过程中H3K36me3/H3K9me3的关系

研究团队在小鼠器官发生过程中（E9.5至E11.5）通过 scChIX-seq以单细胞分辨率研究了H3K36me3和H3K9me3的动力学（图3）。为揭示不同的H3K36me3细胞类型是否可以共享共同的H3K9me3图谱，研究团队对H3K36me3 + H3K9me3细胞进行反卷积，并将每个细胞投射到两种图谱中。scChIX-seq显示，红细胞和白细胞具有不同的活性染色质和异染色质；其他非血细胞类型显示类似的异染色质分布；具有不同H3K36me3的细胞可以共享相同的H3K9me3簇。

由于双重培养的细胞具有与两种组蛋白修饰相关的切割片段，研究团队假设反卷积数据可以精确量化两种组蛋白修饰之间的比率，以及该比率如何在细胞类型之间变化。

研究团队检测了H3K36me3和H3K9me3在单个细胞中的整体比例是否不同。通过绘制H3K36me3和H3K9me3的比值图，研究团队发现大多数细胞的比值相当，但红细胞的比值低于其他细胞类型，这与质谱研究结果一致，即在红细胞成熟过程中，H3K36me3在全局范围内减少，但H3K9me3没有变化。上述结果显示，在器官发生过程中使用scChIX-seq对H3K36me3和H3K9me3进行研究可提供多模态分析的独特见解。

图3. 小鼠器官发生过程中H3K36me3/H3K9me3的关系。来源：Nature Biotechnology

结语

综上所述，该研究证明了scChIX-seq可以反卷积多重组蛋白修饰，扩大了可在单细胞中分析组蛋白标记的数量。通过模拟、纯化的细胞类型和骨髓样本，研究团队证明了scChIX-seq可以准确地映射几个组蛋白标记，并识别组蛋白修饰之间复杂的细胞类型关系。scChIX-seq解锁了基于抗体的染色质分析的多模态分析，并能够联合分析单细胞中不同的组蛋白修饰，具有广阔的应用前景。