Nat Rev Genet（IF=60） | 任兵发表使用单细胞表观基因组学表征顺式调控元件的综述

细胞类型特异性基因表达模式和发育过程中或疾病中的动态受顺式调节元件 (CRE) 控制，例如启动子和增强子。不同类别的 CRE 可以通过它们的表观基因组特征来表征，包括 DNA 甲基化、染色质可及性、组蛋白修饰的组合和局部染色质的构象。在使用批量转录组和表观基因组方法对人类基因组中的 CRE 进行编目方面取得了巨大进展。然而，单细胞表观基因组和多组学技术有可能更深入地了解细胞类型特异性基因调控程序以及它们在发育过程中如何变化，以响应环境线索和疾病发病机制。2022年7月15日，加利福尼亚大学圣地亚哥分校任兵等团队在Nature Reviews Genetics（IF=60）在线发表题为“Characterizing cis-regulatory elements using single-cell epigenomics”的综述文章，该综述概述了单细胞分析的一般技术原理，并讨论了用于分析不同表观基因组特征的实验性单细胞平台的现状，特别关注 CRE 注释的方法。该综述还讨论了用于处理单细胞表观基因组数据集和表征 CRE 的细胞类型特异性活动的分析工具。

时空和细胞类型特异性基因表达模式由称为顺式调节元件 (CRE) 的 DNA 序列控制。CRE 大致分为启动子、增强子和绝缘子；近年来还报道了其他类型的 CRE，包括沉默子元件和束缚元件，但尚未广泛表征。对基因组中每个 CRE 的详细了解将有助于描绘控制发育、细胞分化和物种适应环境的基因调控程序。这种理解对于深入了解不同物种的性状进化和解释与人类疾病和复杂性状有关的越来越多的非编码风险变体也至关重要。

在基因组序列发布后不久，人们开始努力在人类基因组中注释 CRE，但很快就很清楚，仅靠序列信息不足以识别 CRE 并描述它们在每种细胞类型和发育阶段的活性。启动子和增强子通过与序列特异性转录因子（与其他转录因子相关联）和/或染色质重塑复合物的组合相互作用以促进基因转录，从而以细胞类型特异性方式指导基因表达的时空模式。然而，这些相互作用也受到表观遗传机制的调节，包括染色质可及性，DNA 甲基化和组蛋白修饰。此外，启动子和增强子的转录调控还取决于它们在细胞核内的空间组织。

真核细胞核中的染色质纤维折叠成拓扑关联结构域 (TAD)。可以使用 CTCF（一种绝缘子结合蛋白）的 ChIP-seq 来分析划分 TAD 边界并在其形成中起关键作用的绝缘子。通过它们在 TAD 形成中的作用，绝缘子促进了同一 TAD 内的增强子和启动子之间的相互作用，并减少了位于不同 TAD 中的启动子和增强子之间的接触。这些接触的频率可用于推断染色质结构，并可使用高分辨率染色体构象捕获方法（如 Hi-C）进行测量。

包括路线图表观基因组计划和由 DNA 元件百科全书 (ENCODE) 联盟开展的几项大规模研究，已经对数百个组织样本、原代细胞或细胞系的表观基因组进行了分析，以注释数百万个候选 CRE (cCRE)人类基因组。结合染色质相互作用谱，这些 cCRE 目录为研究人类和其他物种不同组织和细胞类型中的基因调控提供了宝贵的资源，有助于确定非编码 DNA 变异在人类疾病和复杂性状的病因学中的关键作用，并提供一个框架来解释这些变体。尽管取得了如此巨大的进步，但现有的人类基因组 cCRE 目录仍有一些限制，至少部分可以通过无偏见的单细胞分析来解决。

CREs 的表观基因组标记及其与基因表达的关联（图源自Nature Reviews Genetics ）

许多目录缺乏细胞类型分辨率，因为数据集是由未分类的大块组织生成的。此外，只有大量存在且具有良好表征的表面标志物的细胞类型，例如血细胞类型，才能进行足够数量的分选和分离以进行批量表观基因组分析，而稀有或未表征的细胞类型将逃脱分析。在体内细胞数量有限的情况下，已使用离体原代细胞或癌细胞系，但由于转化或培养条件，这些并不能完全概括体内的调控景观。此外，很难获得完整的目录，因为 CRE 通常仅在选定的细胞类型、发育阶段或生理状态中活跃，其中许多难以使用批量检测进行研究。

单细胞表观基因组技术的发展提供了一种克服这些限制的方法，通过生成更全面的 CRE 目录，可以研究 CRE 的染色质状态变化与原发组织内特定细胞类型的基因表达之间的关系。这些方法可以克服细胞异质性，揭示不同生理或病理条件下的细胞状态，允许检测未知或稀有细胞类型，并揭示细胞类型特异性差异和动态。

在这篇综述中，概述了单细胞分析的一般技术原理，并讨论了用于分析不同表观基因组特征的实验性单细胞平台的现状，特别关注 CRE 注释的方法。该综述还讨论了用于处理单细胞表观基因组数据集和表征 CRE 的细胞类型特异性活动的分析工具。

转自： iNature

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