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重磅丨晶能生物将引进10x Genomics新产品:single cell ATAC-Seq
发布日期:2018-10-18浏览:
 

近日,10x Genomics公司计划推出单细胞新产品 ——ATAC-seq,期望加速表观基因组学研究,为深入了解疾病的诊断和治疗提供便利。届时,晶能生物将引进10x Genomics单细胞表观遗传ATAC-seq试剂盒。

那到底什么是 10x Genomics Single Cell ATAC 

  10x Genomics  Chromium  Single Cell ATAC Solution(10x scATAC-seq是一种利用转座酶来研究全基因组范围内染色质开放性的方法,可以加速基因组调控环境的认知,从而为细胞异质性提供见解。同时对单细胞进行染色质分析,研究人员可以了解染色质压缩和DNA结合蛋白如何以高分辨率调节基因表达。

10x scATAC-seq 包含直观的软件分析和可视化工具,可对单个细胞中的基因调控网络进行精细分析, 也可用于研究细胞异质性、发育可追踪性,生物标志物的出现等。

 

下面小编为大家带来一篇高分文章于2018年4月26 发表于《Cell》,为您揭晓ATAC-seq。

单细胞表观组和转录组整合分析造血分化过程中的调控机制

 

摘要

 

本文采用单细胞ATAC-Seq的策略,分析10类已定义的人类造血系统分化类型中ATAC-seq数据,构建造血细胞分化中染色质变化轨迹;并整合单细胞转录组的数据,构建转录因子动态调控的轨迹,描绘人类造血分化中基因调控通路的变化机制。

 

 

 

亮点

  • 单细胞ATAC-seq揭示了造血系统的异质性
  • 单细胞ATAC-seqRNA-seq整合分析可以对顺式和反式作用因素有更深的了解
  • 具有染色质和转录组差异的两个GMP亚组的表征
  •  HSC中TF基序相关的染色质变异性遵循红细胞/淋巴途径

 

研究思路

 

 

主要研究内容

 

 

1. 单细胞染色质对不同造血细胞类型的可接近性

 

 

使用FACS从CD34 +人骨髓中分离出8个不同的细胞群,其中包括跨越骨髓,红细胞和淋巴谱系的细胞类型(图1A和1B),还介绍了CD34 + CD38-CD45RA + CD123-尚未充分表征的子集,接下来对冷冻保存的细胞进行scATAC-seq测量(图1C)。在代表6个人供体的总共30个独立的单细胞实验中描绘了染色质可接近性图谱(CAL),每个祖细胞群体来自两个或更多个供体;聚集的单细胞染色质可接近性概况非常类似于CD34 + ATAC-seq谱(图1D)。

 

图1.scATAC-Seq谱在单个造血祖细胞中的染色质可接近性

 

 

使用标准化PC评分与所有其他细胞之间的Pearson相关系数对细胞聚类等方法,发现人类造血的CAL远离普通的早期造血祖细胞,HSC/ MPP(左)和LMPP(右)定位在投影的中心,随后包含大型多样的CMP和GMP细胞分化为CLP(淋巴样)、MEP(红细胞样)和单核细胞(骨髓)表现为远离中央HSC的明显分化轨迹(图2C-2D)。此外,与主谱系调节因子ID3,CEBPB和GATA1相关的基序显示淋巴、骨髓和红细胞发育的连续梯度活动,而HSC和LMPP区室显示出与HOX基序相关的更高可接近性(图2E-2H)。

 

图2.人造血祖细胞的谱系

 

 

 

2. De Novo鉴定未表征的染色质状态

 

鉴于分类标记的局限性,本文试图通过在PC投影方法的前五个主要成分上应用k-medoids聚类来定义造血细胞类型,结果定义了14个独特的聚类(图3A和3B),这些聚类与先前定义的基于细胞表面标记的人造血细胞亚群的定义(图3C)和与造血相关的TF基序可及性的变化大致重叠(图3D) 。该分析确定关键的造血调节因子,包括与主调节因子GATA1(红细胞)、CEBPD(髓样)和EBF1(淋巴)谱系指定因子相关的基序,还发现了包含HOX,ERG和MAFF基序的特定HSC簇。

 

使用这种聚类方法,发现CMP分成4个聚类,其包括具有来自CMP和MEP细胞(聚类5)的混合聚类;在这些CMP簇中鉴定了1,801个差异可接近的区域,这些染色质可接近性差异证实了CMP转录异质性的作用,因此CMP可以是分为髓样和红细胞定型祖细胞;此外,还发现MEP(K5-K7)、GMP(K9、K10)和pDC(K12、K13)主要分别作为两个或更多个不同的簇,可能代表早期和晚期祖细胞分化。

 

 

3. 数据驱动的群集中染色质可访问性变异性

 

进一步严格定义HSC和LMPP祖细胞中的染色质可接近性差异,创建严格的簇定义,要求细胞既是CAL簇纯的和免疫表型的纯种群(称表观基因组和免疫表型纯(EIPP)簇)。为了探讨HSC中TF相关变异性与分化方向的关系,通过TF Z分数(高或低)对个体EIPP HSC进行分类,将高/低距离与置换的HSC EIPP曲线进行比较(图3E);发现CTCF、核因子kB(NF-kB)(由RELA基序代表)和ETS基序在HSC中显著可变但与任何特定的分化方向不相关(图3F)。相反,GATA和MESP/ID基序(由GATA2和MESP1基序表示)TF Z评分分别与红细胞和淋巴轨迹显著相关(图3G、3H),谱系追踪HSC表明HSC表现出对红细胞-骨髓或淋巴细胞命运的寡谱系偏向。

 

图3.数据定义簇的分子特征

 

 

 

4.沿发育轨迹进一步划分异质细胞类型

 

检查GMP的两个簇(K9和K10)内的变异性,其显示髓样发育轨迹上的髓样定义因子SPI1(PU.1)和CEBP相关基序之间的可接近性的显著差异;为了进一步划分这一群体,对来自CD123表达的三个不同区域的细胞进行scATAC-seq、大量ATAC-seq和大量RNA-seq(图4E)。大量ATAC-seq和RNA-seq数据揭示了GMP-A和GMP-C群体中大量的染色质可接近性和转录组学差异(图4F);差异表达基因包括重要的发育调节因子,包括HSPC TFs GATA2和TAL1的下调以及GMP-C细胞群中髓样基因SPIB、IRF8、TLR7和MPEG1的上调(图4F)。此外,来自三个细胞组分的scATAC-seq数据显示髓样分化的早期(GMP-A)和晚期(GMP-C)阶段的强烈分离(图4G,4H)。验证了GMP中的异质性,并且更一般地证明了用于从单细胞表观基因组数据定义细胞群的数据驱动方法。

 

图4.分化轨迹

 

 

5.骨髓细胞分化的基序可接近性动力学

 

骨髓发育过程中发现6个簇的TF Z评分谱(图5A),与调节剂HOXB8和GATA1(簇1)相关的TF基序的可接近性在HSC中高,并且通过向CMP分化而降低;GATA基序可接近性的丧失(由GATA1基序代表)在HSC区室内开始,而HOX基序可接近性(由HOXB8基序代表)在HSC向CMP分化的转变处丢失,表明GATA基序可接近性的丧失可能是HSC谱系早期事件(图5B);还观察到骨髓相关TF基序的两种不同的激活模式:簇4 TF(CEBPD-和SPIB相关基序)在CMP早期中开始显示活性并增加,簇5 TF(STAT1-、IRF8-和BCL11A-相关基序)在GMP-A中活性急剧增加至GMP-C转换,表示CEBP家族的TF(由CEBPD基序代表)作为髓过乙酰化物的起始因子(图5C)。

图5.骨髓分化的转录因子动力学

 

 

单细胞ATAC-seqRNA-seq相结合,解决了主调节因子表达的时间动态和骨髓细胞发育中相关的染色质变化,为进一步的功能研究和分析相关的调节变化分析提供了资源。

 

 

6. 跨髓细胞生成的调节元件和基因激活

 

在骨髓分化期间表征基因座特异性顺式调节动力学,筛选具有高片段计数的调控元件且在有序细胞中具有显著的可变性,鉴定了14,005个顺式调节元件用于分析。其高度异质性的可接近性变化模式(图6A-6C)表明有限数量的TF基序可接近性模式可以在各个调节元件处诱导染色质可接近性变异。

 

分析揭示了多种调节元件行为,范围从快速到慢速抑制HSC调节元件和快速-慢速-激活单核细胞调节元件,推断远端调节元件的动态激活模式与附近表达基因之间的相关性可用于将增强子连接至靶基因(图6C),还发现围绕CEBPD的动态调节元件与CEBPD表达高度相关(图6D)。

 

计算10 Mb注释转录起始位点内调控元件与动态基因的相关性,发现近端调控元件(<100 kb)与附近的基因表达相关性更高(图6E、6F)。进一步测试先前定义的顺式连锁表达数量性状基因座(cis-eQTL)是否与使用这些整合的单细胞数据鉴定的增强子-基因相互作用重叠,发现cis-eQTL强烈富集scATAC/scRNA-seq相关峰-基因对(图6G)。

 

图6.调节元件动力学将远端元素与基因相联系

 

 

因此,ATAC-seq和基因表达之间的统计学联系可以作为将增强子与靶基因启动子功能性连接的手段。

 

 

结论

 

通过单细胞ATAC-seqRNA-seq的整合分析,提供对人类造血功能的调节特征和动态见解。在实验或分析上进一步整合多种单细胞数据类型并改进,将为发育或疾病研究提供单细胞水平上的视角。

 

 

参考文献

 

Jason D. Buenrostro, M. Ryan Corces,Caleb A. Lareau, et al. Integrated Single-Cell Analysis Maps the Continuous Regulatory Landscape of Human Hematopoietic Differentiation.Cell(2018).

近日,10x Genomics公司计划推出单细胞新产品 ——ATAC-seq,期望加速表观基因组学研究,为深入了解疾病的诊断和治疗提供便利。届时,晶能生物将引进10x Genomics单细胞表观遗传ATAC-seq试剂盒。

那到底什么是 10x Genomics Single Cell ATAC 

  10x Genomics  Chromium  Single Cell ATAC Solution(10x scATAC-seq是一种利用转座酶来研究全基因组范围内染色质开放性的方法,可以加速基因组调控环境的认知,从而为细胞异质性提供见解。同时对单细胞进行染色质分析,研究人员可以了解染色质压缩和DNA结合蛋白如何以高分辨率调节基因表达。

10x scATAC-seq 包含直观的软件分析和可视化工具,可对单个细胞中的基因调控网络进行精细分析, 也可用于研究细胞异质性、发育可追踪性,生物标志物的出现等。

 

欣赏下面这个视频,您便可以对 10x scATAC-seq 有个清晰的认知

 

视频来源于 10x Genomics官网(侵删)

 

 

下面小编为大家带来一篇高分文章于2018年4月26 发表于《Cell》,为您揭晓ATAC-seq。

单细胞表观组和转录组整合分析造血分化过程中的调控机制

 

摘要

本文采用单细胞ATAC-Seq的策略,分析10类已定义的人类造血系统分化类型中ATAC-seq数据,构建造血细胞分化中染色质变化轨迹;并整合单细胞转录组的数据,构建转录因子动态调控的轨迹,描绘人类造血分化中基因调控通路的变化机制。

 

 

亮点

 
  • 单细胞ATAC-seq揭示了造血系统的异质性

  • 单细胞ATAC-seqRNA-seq整合分析可以对顺式和反式作用因素有更深的了解

  • 具有染色质和转录组差异的两个GMP亚组的表征

  •  HSC中TF基序相关的染色质变异性遵循红细胞/淋巴途径

 

研究思路

 

主要研究内容

 

 

1. 单细胞染色质对不同造血细胞类型的可接近性

 

使用FACS从CD34 +人骨髓中分离出8个不同的细胞群,其中包括跨越骨髓,红细胞和淋巴谱系的细胞类型(图1A和1B),还介绍了CD34 + CD38-CD45RA + CD123-尚未充分表征的子集,接下来对冷冻保存的细胞进行scATAC-seq测量(图1C)。在代表6个人供体的总共30个独立的单细胞实验中描绘了染色质可接近性图谱(CAL),每个祖细胞群体来自两个或更多个供体;聚集的单细胞染色质可接近性概况非常类似于CD34 + ATAC-seq谱(图1D)。

 

图1.scATAC-Seq谱在单个造血祖细胞中的染色质可接近性

 

使用标准化PC评分与所有其他细胞之间的Pearson相关系数对细胞聚类等方法,发现人类造血的CAL远离普通的早期造血祖细胞,HSC/ MPP(左)和LMPP(右)定位在投影的中心,随后包含大型多样的CMP和GMP细胞分化为CLP(淋巴样)、MEP(红细胞样)和单核细胞(骨髓)表现为远离中央HSC的明显分化轨迹(图2C-2D)。此外,与主谱系调节因子ID3,CEBPB和GATA1相关的基序显示淋巴、骨髓和红细胞发育的连续梯度活动,而HSC和LMPP区室显示出与HOX基序相关的更高可接近性(图2E-2H)。

 

图2.人造血祖细胞的谱系

 

 

2. De Novo鉴定未表征的染色质状态

 

鉴于分类标记的局限性,本文试图通过在PC投影方法的前五个主要成分上应用k-medoids聚类来定义造血细胞类型,结果定义了14个独特的聚类(图3A和3B),这些聚类与先前定义的基于细胞表面标记的人造血细胞亚群的定义(图3C)和与造血相关的TF基序可及性的变化大致重叠(图3D) 。该分析确定关键的造血调节因子,包括与主调节因子GATA1(红细胞)、CEBPD(髓样)和EBF1(淋巴)谱系指定因子相关的基序,还发现了包含HOX,ERG和MAFF基序的特定HSC簇。

 

使用这种聚类方法,发现CMP分成4个聚类,其包括具有来自CMP和MEP细胞(聚类5)的混合聚类;在这些CMP簇中鉴定了1,801个差异可接近的区域,这些染色质可接近性差异证实了CMP转录异质性的作用,因此CMP可以是分为髓样和红细胞定型祖细胞;此外,还发现MEP(K5-K7)、GMP(K9、K10)和pDC(K12、K13)主要分别作为两个或更多个不同的簇,可能代表早期和晚期祖细胞分化。

 

 

3. 数据驱动的群集中染色质可访问性变异性

进一步严格定义HSC和LMPP祖细胞中的染色质可接近性差异,创建严格的簇定义,要求细胞既是CAL簇纯的和免疫表型的纯种群(称表观基因组和免疫表型纯(EIPP)簇)。为了探讨HSC中TF相关变异性与分化方向的关系,通过TF Z分数(高或低)对个体EIPP HSC进行分类,将高/低距离与置换的HSC EIPP曲线进行比较(图3E);发现CTCF、核因子kB(NF-kB)(由RELA基序代表)和ETS基序在HSC中显著可变但与任何特定的分化方向不相关(图3F)。相反,GATA和MESP/ID基序(由GATA2和MESP1基序表示)TF Z评分分别与红细胞和淋巴轨迹显著相关(图3G、3H),谱系追踪HSC表明HSC表现出对红细胞-骨髓或淋巴细胞命运的寡谱系偏向。

 

图3.数据定义簇的分子特征

 

 

4.沿发育轨迹进一步划分异质细胞类型

 

检查GMP的两个簇(K9和K10)内的变异性,其显示髓样发育轨迹上的髓样定义因子SPI1(PU.1)和CEBP相关基序之间的可接近性的显著差异;为了进一步划分这一群体,对来自CD123表达的三个不同区域的细胞进行scATAC-seq、大量ATAC-seq和大量RNA-seq(图4E)。大量ATAC-seq和RNA-seq数据揭示了GMP-A和GMP-C群体中大量的染色质可接近性和转录组学差异(图4F);差异表达基因包括重要的发育调节因子,包括HSPC TFs GATA2和TAL1的下调以及GMP-C细胞群中髓样基因SPIB、IRF8、TLR7和MPEG1的上调(图4F)。此外,来自三个细胞组分的scATAC-seq数据显示髓样分化的早期(GMP-A)和晚期(GMP-C)阶段的强烈分离(图4G,4H)。验证了GMP中的异质性,并且更一般地证明了用于从单细胞表观基因组数据定义细胞群的数据驱动方法。

 

图4.分化轨迹

 

 

5.骨髓细胞分化的基序可接近性动力学

 

骨髓发育过程中发现6个簇的TF Z评分谱(图5A),与调节剂HOXB8和GATA1(簇1)相关的TF基序的可接近性在HSC中高,并且通过向CMP分化而降低;GATA基序可接近性的丧失(由GATA1基序代表)在HSC区室内开始,而HOX基序可接近性(由HOXB8基序代表)在HSC向CMP分化的转变处丢失,表明GATA基序可接近性的丧失可能是HSC谱系早期事件(图5B);还观察到骨髓相关TF基序的两种不同的激活模式:簇4 TF(CEBPD-和SPIB相关基序)在CMP早期中开始显示活性并增加,簇5 TF(STAT1-、IRF8-和BCL11A-相关基序)在GMP-A中活性急剧增加至GMP-C转换,表示CEBP家族的TF(由CEBPD基序代表)作为髓过乙酰化物的起始因子(图5C)。

 

图5.骨髓分化的转录因子动力学

 

单细胞ATAC-seqRNA-seq相结合,解决了主调节因子表达的时间动态和骨髓细胞发育中相关的染色质变化,为进一步的功能研究和分析相关的调节变化分析提供了资源。

 

 

6. 跨髓细胞生成的调节元件和基因激活

在骨髓分化期间表征基因座特异性顺式调节动力学,筛选具有高片段计数的调控元件且在有序细胞中具有显著的可变性,鉴定了14,005个顺式调节元件用于分析。其高度异质性的可接近性变化模式(图6A-6C)表明有限数量的TF基序可接近性模式可以在各个调节元件处诱导染色质可接近性变异。

 

分析揭示了多种调节元件行为,范围从快速到慢速抑制HSC调节元件和快速-慢速-激活单核细胞调节元件,推断远端调节元件的动态激活模式与附近表达基因之间的相关性可用于将增强子连接至靶基因(图6C),还发现围绕CEBPD的动态调节元件与CEBPD表达高度相关(图6D)。

 

计算10 Mb注释转录起始位点内调控元件与动态基因的相关性,发现近端调控元件(<100 kb)与附近的基因表达相关性更高(图6E、6F)。进一步测试先前定义的顺式连锁表达数量性状基因座(cis-eQTL)是否与使用这些整合的单细胞数据鉴定的增强子-基因相互作用重叠,发现cis-eQTL强烈富集scATAC/scRNA-seq相关峰-基因对(图6G)。

 

图6.调节元件动力学将远端元素与基因相联系

 

因此,ATAC-seq和基因表达之间的统计学联系可以作为将增强子与靶基因启动子功能性连接的手段。

 

结论

 

通过单细胞ATAC-seqRNA-seq的整合分析,提供对人类造血功能的调节特征和动态见解。在实验或分析上进一步整合多种单细胞数据类型并改进,将为发育或疾病研究提供单细胞水平上的视角。

 

参考文献

Jason D. Buenrostro, M. Ryan Corces,Caleb A. Lareau, et al. Integrated Single-Cell Analysis Maps the Continuous Regulatory Landscape of Human Hematopoietic Differentiation.Cell(2018).

 

近日,10x Genomics公司计划推出单细胞新产品 ——ATAC-seq,期望加速表观基因组学研究,为深入了解疾病的诊断和治疗提供便利。届时,晶能生物将引进10x Genomics单细胞表观遗传ATAC-seq试剂盒。

那到底什么是 10x Genomics Single Cell ATAC 

  10x Genomics  Chromium  Single Cell ATAC Solution(10x scATAC-seq是一种利用转座酶来研究全基因组范围内染色质开放性的方法,可以加速基因组调控环境的认知,从而为细胞异质性提供见解。同时对单细胞进行染色质分析,研究人员可以了解染色质压缩和DNA结合蛋白如何以高分辨率调节基因表达。

10x scATAC-seq 包含直观的软件分析和可视化工具,可对单个细胞中的基因调控网络进行精细分析, 也可用于研究细胞异质性、发育可追踪性,生物标志物的出现等。

 

欣赏下面这个视频,您便可以对 10x scATAC-seq 有个清晰的认知

 

视频来源于 10x Genomics官网(侵删)

 

 

下面小编为大家带来一篇高分文章于2018年4月26 发表于《Cell》,为您揭晓ATAC-seq。

单细胞表观组和转录组整合分析造血分化过程中的调控机制

 

摘要

本文采用单细胞ATAC-Seq的策略,分析10类已定义的人类造血系统分化类型中ATAC-seq数据,构建造血细胞分化中染色质变化轨迹;并整合单细胞转录组的数据,构建转录因子动态调控的轨迹,描绘人类造血分化中基因调控通路的变化机制。

 

 

亮点

 
  • 单细胞ATAC-seq揭示了造血系统的异质性

  • 单细胞ATAC-seqRNA-seq整合分析可以对顺式和反式作用因素有更深的了解

  • 具有染色质和转录组差异的两个GMP亚组的表征

  •  HSC中TF基序相关的染色质变异性遵循红细胞/淋巴途径

 

研究思路

 

主要研究内容

 

 

1. 单细胞染色质对不同造血细胞类型的可接近性

 

使用FACS从CD34 +人骨髓中分离出8个不同的细胞群,其中包括跨越骨髓,红细胞和淋巴谱系的细胞类型(图1A和1B),还介绍了CD34 + CD38-CD45RA + CD123-尚未充分表征的子集,接下来对冷冻保存的细胞进行scATAC-seq测量(图1C)。在代表6个人供体的总共30个独立的单细胞实验中描绘了染色质可接近性图谱(CAL),每个祖细胞群体来自两个或更多个供体;聚集的单细胞染色质可接近性概况非常类似于CD34 + ATAC-seq谱(图1D)。

 

图1.scATAC-Seq谱在单个造血祖细胞中的染色质可接近性

 

使用标准化PC评分与所有其他细胞之间的Pearson相关系数对细胞聚类等方法,发现人类造血的CAL远离普通的早期造血祖细胞,HSC/ MPP(左)和LMPP(右)定位在投影的中心,随后包含大型多样的CMP和GMP细胞分化为CLP(淋巴样)、MEP(红细胞样)和单核细胞(骨髓)表现为远离中央HSC的明显分化轨迹(图2C-2D)。此外,与主谱系调节因子ID3,CEBPB和GATA1相关的基序显示淋巴、骨髓和红细胞发育的连续梯度活动,而HSC和LMPP区室显示出与HOX基序相关的更高可接近性(图2E-2H)。

 

图2.人造血祖细胞的谱系

 

 

2. De Novo鉴定未表征的染色质状态

 

鉴于分类标记的局限性,本文试图通过在PC投影方法的前五个主要成分上应用k-medoids聚类来定义造血细胞类型,结果定义了14个独特的聚类(图3A和3B),这些聚类与先前定义的基于细胞表面标记的人造血细胞亚群的定义(图3C)和与造血相关的TF基序可及性的变化大致重叠(图3D) 。该分析确定关键的造血调节因子,包括与主调节因子GATA1(红细胞)、CEBPD(髓样)和EBF1(淋巴)谱系指定因子相关的基序,还发现了包含HOX,ERG和MAFF基序的特定HSC簇。

 

使用这种聚类方法,发现CMP分成4个聚类,其包括具有来自CMP和MEP细胞(聚类5)的混合聚类;在这些CMP簇中鉴定了1,801个差异可接近的区域,这些染色质可接近性差异证实了CMP转录异质性的作用,因此CMP可以是分为髓样和红细胞定型祖细胞;此外,还发现MEP(K5-K7)、GMP(K9、K10)和pDC(K12、K13)主要分别作为两个或更多个不同的簇,可能代表早期和晚期祖细胞分化。

 

 

3. 数据驱动的群集中染色质可访问性变异性

进一步严格定义HSC和LMPP祖细胞中的染色质可接近性差异,创建严格的簇定义,要求细胞既是CAL簇纯的和免疫表型的纯种群(称表观基因组和免疫表型纯(EIPP)簇)。为了探讨HSC中TF相关变异性与分化方向的关系,通过TF Z分数(高或低)对个体EIPP HSC进行分类,将高/低距离与置换的HSC EIPP曲线进行比较(图3E);发现CTCF、核因子kB(NF-kB)(由RELA基序代表)和ETS基序在HSC中显著可变但与任何特定的分化方向不相关(图3F)。相反,GATA和MESP/ID基序(由GATA2和MESP1基序表示)TF Z评分分别与红细胞和淋巴轨迹显著相关(图3G、3H),谱系追踪HSC表明HSC表现出对红细胞-骨髓或淋巴细胞命运的寡谱系偏向。

 

图3.数据定义簇的分子特征

 

 

4.沿发育轨迹进一步划分异质细胞类型

 

检查GMP的两个簇(K9和K10)内的变异性,其显示髓样发育轨迹上的髓样定义因子SPI1(PU.1)和CEBP相关基序之间的可接近性的显著差异;为了进一步划分这一群体,对来自CD123表达的三个不同区域的细胞进行scATAC-seq、大量ATAC-seq和大量RNA-seq(图4E)。大量ATAC-seq和RNA-seq数据揭示了GMP-A和GMP-C群体中大量的染色质可接近性和转录组学差异(图4F);差异表达基因包括重要的发育调节因子,包括HSPC TFs GATA2和TAL1的下调以及GMP-C细胞群中髓样基因SPIB、IRF8、TLR7和MPEG1的上调(图4F)。此外,来自三个细胞组分的scATAC-seq数据显示髓样分化的早期(GMP-A)和晚期(GMP-C)阶段的强烈分离(图4G,4H)。验证了GMP中的异质性,并且更一般地证明了用于从单细胞表观基因组数据定义细胞群的数据驱动方法。

 

图4.分化轨迹

 

 

5.骨髓细胞分化的基序可接近性动力学

 

骨髓发育过程中发现6个簇的TF Z评分谱(图5A),与调节剂HOXB8和GATA1(簇1)相关的TF基序的可接近性在HSC中高,并且通过向CMP分化而降低;GATA基序可接近性的丧失(由GATA1基序代表)在HSC区室内开始,而HOX基序可接近性(由HOXB8基序代表)在HSC向CMP分化的转变处丢失,表明GATA基序可接近性的丧失可能是HSC谱系早期事件(图5B);还观察到骨髓相关TF基序的两种不同的激活模式:簇4 TF(CEBPD-和SPIB相关基序)在CMP早期中开始显示活性并增加,簇5 TF(STAT1-、IRF8-和BCL11A-相关基序)在GMP-A中活性急剧增加至GMP-C转换,表示CEBP家族的TF(由CEBPD基序代表)作为髓过乙酰化物的起始因子(图5C)。

 

图5.骨髓分化的转录因子动力学

 

单细胞ATAC-seqRNA-seq相结合,解决了主调节因子表达的时间动态和骨髓细胞发育中相关的染色质变化,为进一步的功能研究和分析相关的调节变化分析提供了资源。

 

 

6. 跨髓细胞生成的调节元件和基因激活

在骨髓分化期间表征基因座特异性顺式调节动力学,筛选具有高片段计数的调控元件且在有序细胞中具有显著的可变性,鉴定了14,005个顺式调节元件用于分析。其高度异质性的可接近性变化模式(图6A-6C)表明有限数量的TF基序可接近性模式可以在各个调节元件处诱导染色质可接近性变异。

 

分析揭示了多种调节元件行为,范围从快速到慢速抑制HSC调节元件和快速-慢速-激活单核细胞调节元件,推断远端调节元件的动态激活模式与附近表达基因之间的相关性可用于将增强子连接至靶基因(图6C),还发现围绕CEBPD的动态调节元件与CEBPD表达高度相关(图6D)。

 

计算10 Mb注释转录起始位点内调控元件与动态基因的相关性,发现近端调控元件(<100 kb)与附近的基因表达相关性更高(图6E、6F)。进一步测试先前定义的顺式连锁表达数量性状基因座(cis-eQTL)是否与使用这些整合的单细胞数据鉴定的增强子-基因相互作用重叠,发现cis-eQTL强烈富集scATAC/scRNA-seq相关峰-基因对(图6G)。

 

图6.调节元件动力学将远端元素与基因相联系

 

因此,ATAC-seq和基因表达之间的统计学联系可以作为将增强子与靶基因启动子功能性连接的手段。

 

结论

 

通过单细胞ATAC-seqRNA-seq的整合分析,提供对人类造血功能的调节特征和动态见解。在实验或分析上进一步整合多种单细胞数据类型并改进,将为发育或疾病研究提供单细胞水平上的视角。

 

参考文献

Jason D. Buenrostro, M. Ryan Corces,Caleb A. Lareau, et al. Integrated Single-Cell Analysis Maps the Continuous Regulatory Landscape of Human Hematopoietic Differentiation.Cell(2018).

 

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