引文自1665年羅伯特·虎克在《Micrographia》一書中提出cell的概念，早期的生物學家便開始通過細胞的形態(tài)和功能對細胞進行分類,。但隨著科技的發(fā)展和時代的進步,，人們逐漸發(fā)現(xiàn)同一種命名的細胞類型內部往往也存在著功能和形態(tài)的顯著差異。而由于技術的缺陷,，過去很長一段時間中人們對于細胞的研究停留在通過實驗的角度進行觀察和分析,。單細胞測序技術的出現(xiàn)成為細胞生物學歷程上的一個重要的轉折點,，它對于細胞類型定義、發(fā)育軌跡,、細胞功能互作等研究提供了一個全新的視角,。最受關注的單細胞組學無疑是單細胞轉錄組學，其技術在十年內飛速發(fā)展,，并在近兩年不斷出現(xiàn)空間轉錄組學的新技術,，實現(xiàn)空間維度高分辨率的轉錄組測序。同時,，近幾年人類和小鼠中各器官的單細胞轉錄組圖譜層出不窮,。  但是從轉錄組這一單一維度去研究細胞，進而分析科學問題,，往往可能證據(jù)并不充分,。我們需要通過借助表觀組學的技術，豐富細胞類型特異性的基因表達調控機制,，補充單細胞的染色質開放性圖譜,。我們之前在《單細胞天地》的大多數(shù)推文圍繞的技術方法和介紹的文章都是以單細胞轉錄組的數(shù)據(jù)分析作為基礎的，從本期開始我會主要從scATAC-seq為起點,，結合近兩年scATAC-seq分析的主要工具,，為大家介紹單細胞表觀組學基礎的數(shù)據(jù)分析方法和研究進展。 Waddington表觀遺傳景觀首先,，我想借助Waddington在1957年提出的表觀遺傳景觀闡釋生命科學研究中轉錄和表觀的聯(lián)系,，而在發(fā)育生物學中，我們常用這一套理論描述基因調控下細胞分化的動態(tài)規(guī)律,。小球在位于山的最高點,，代表其為胚胎干細胞，分化能力最強,，狀態(tài)也最不穩(wěn)定,。小球下行的過程就類似于細胞分化的過程，而山上形成的各種峰和谷會對小球下行的軌跡產生影響,。小球抵達盆地時,，即形成比較穩(wěn)定的細胞狀態(tài)，最終對應的是分化形成的細胞類型,。轉錄組的信息代表的是細胞的基因表達特征,，在圖中則對應的是小球自身的即時狀態(tài)，與山體無關,；而揭示細胞的染色質開放性特征,，就好比是描述小球與山體之間的關系以及在山體中的位置，有利于推斷下一時刻細胞的基因表達特征,。  ATAC-seq技術的出現(xiàn)2013年可能是在組學歷史上具有里程碑意義的一年：湯富酬老師作為通訊作者在Nat Struct Mol Biol發(fā)表了scRNA-seq這項技術,，而William J Greenleaf作為通訊作者在Nat Methods發(fā)表ATAC-seq技術,。在2013年后，Greenleaf以ATAC-seq技術作為基礎,，發(fā)表了一系列表觀組學的重要研究,，同時開放了分析ATAC-seq數(shù)據(jù)相關的一系列R包工具。  ATAC-seq主要是通過Tn5轉座酶進入細胞核中,，切割核基因組中的開放區(qū)域,，并連接特異的adaptor。連接adaptor的DNA片段被分離出來,，進行高通量測序,。其詳細的技術原理和bulk ATAC-seq數(shù)據(jù)分析我就不再贅述，在《生信技能樹》中各位可以找到相應的推文,。相較于其他的表觀組學的測序方法,，ATAC-seq具有極為明顯的優(yōu)勢，其樣本的起始量需求比較低,，而制備的時間周期相應也比較短,。 scATAC-seq技術的發(fā)展作為原始的bulk ATAC-seq，我們知道其只能解釋組織樣本的染色質開放性特征,，然而對于生命科學領域的許多研究涉及到細胞分化的重要問題，也就是我們希望通過單細胞維度研究由一種細胞類型轉變?yōu)榱硪环N細胞類型的過程當中,，染色質開放性的變化規(guī)律,，從而研究轉錄因子在細胞類型轉變過程中發(fā)揮的作用。 scATAC-seq的技術最早出現(xiàn)在2015年的兩篇文章中：
總結這一期推文中我主要介紹了表觀組學分析的重要意義以及表觀組學解決的科學問題,。應該來說,，轉錄組學是作為還原細胞類型基因表達特性的基礎，而表觀組學對于細胞類型和細胞分化的調控規(guī)律能夠提供一個全新的維度,。在后續(xù)的文章中我會介紹scATAC-seq的技術方法和常用工具,。  |
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