编者按

单细胞研究迎来新突破！1月28日，深圳华大生命科学研究院、深圳国家基因库、哈尔滨工业大学深圳研究院等，在《Nature Communications》发表了单细胞多组学的最新研究成果。该研究为深入分析单个细胞之间表达调控的异质性提供了新的解决方案，是单细胞研究方法的一个重要进步。今天，科技君和大家来详细解读一下这篇2019单细胞研究的开年大作。

文章题目：《Deconvolution of single-cell multi-omics layers reveals regulatory heterogeneity》

发表期刊：《Nature Communications》

发表时间：2019年1月28日

影响因子：12.353

主要研究团队：深圳国家基因库、深圳华大生命科学研究院、哈尔滨工业大学深圳研究院、德国肿瘤研究中心等

研究背景

单细胞转录组、全基因组或者外显子组等，是研究单细胞核酸序列层面的信息；单细胞ATAC、Chip-seq或者Hi-C等，则是研究表观调控层面的信息。单细胞CAT-Seq则是一个把单细胞ATAC测序和单细胞转录组测序结合起来，能够联合分析单个细胞染色质可接近区域与基因转录表达的新技术。

实验方案

研究中使用了三种细胞模型，分别是K562慢性粒细胞白血病细胞、HCT116大肠癌细胞和Hela-S3宫劲癌细胞；构造图谱时使用了植入前的人体外受精胚胎细胞。

采用流式细胞技术对单细胞进行分离，然后对单细胞进行裂解，用物理学方法把细胞核部分和细胞质部分进行分离，其中，分离的细胞核进行Tn5转座酶介导的scATAC-Seq扩增、细胞质部分则采用Smart-Seq2单细胞转录组扩增，分别使用BGISeq平台进行测序。

最后通过在同一细胞中联合分析染色质可接近区域信息（CA）和基因表达信息（GE），得到单个细胞的表达调控模型。

研究成果

1. 单细胞染色质可接近区域和基因表达的联合分析

对192个K562慢性粒细胞白血病细胞进行scCAT-Seq测序，得到CA和GE两部分信息。通过对比发现此技术得到有效CA和GE数据量与已公布的scATAC-Seq或scRNA-Seq数据量相当。同时，研究发现，CA集中于组蛋白修饰较活跃的顺势作用因子（CREs）区域，在修饰少或不修饰区域片段少（图1d）。在组蛋白修饰较活跃的区域，作者联合CA和GE的分析发现，与H3K36me3关联的CA低水平区域有较高的GE；而在转录因子结合位点研究GE与CA之间的关联时，发现与EZH2结合的区域基因表达水平较低，因此通过scCAT-Seq能够证实一些已知的生物学过程，评估不同染色质区域的基因表达活性。

图1 特定区域的染色质可接近区域与平均基因表达水平作图

2. 建立单个细胞CREs与基因表达调控的新模型

文章接下来对三种细胞类型（K562、HeLa-S3、HCT116）的两个组学层面进行动态关联分析。研究发现CA和GE关联分析比两个CREs之间的关联分析更好地反应染色体高级结构特点；通过构建以单个细胞为纵坐标，染色质可接近区域和基因表达的调控关系为横坐标的矩阵图，而线形表示每个细胞调控关系的进行或者沉默状态，然后运用NMF方法在矩阵中构建了单个细胞身份识别信号，能够不同细胞类型（K562、HeLa-S3、HCT116）中同时反应出多个单细胞的表达调控特征,以及组织之间的表达调节异质性。

图2 不同细胞类型中单个细胞特定基因的表达调控关系

3. 人类早期胚胎单个细胞表观组学和转录组联合图谱的绘制

对人类早期胚胎中110个不同发育阶段的细胞进行scCAT-Seq测序，通过将染色质可接近区域TF和不同细胞CA水平构建一个ChromVAR，计算所有单细胞中已知TF的偏差。通过这种方式，研究人员将细胞分成明显的两个亚群，并发现了转录因子GATA3在决定滋养层细胞分化中的重要意义，以及其他转录因子在决定细胞发育中的作用。这些结论说明了研究所构建的分析方法有助于在单细胞分辨率下发现一些 TF的重要功能，同时发现scCAT-Seq对于在单细胞分辨率下发现复杂细胞类群中一些特殊细胞有突出作用。

图3 基于人不同发育阶段的胚胎细胞scCAT-Seq数据构建图谱

科技君说

单细胞基因活性分析技术被《Science》杂志评为2018年十大科学突破之首，单细胞RNA-Seq被科学家认为会在未来10年改变基础生物学和医学的研究格局，而单细胞多组学联合研究是2018年单细胞研究的重大进展之一。

本文介绍的scCAT-Seq能够对于单个细胞的表达调控特质进行综合表观组学和转录组的解决方法。scCAT-Seq的主要特点是，能同时测定单个细胞的染色质开放区域与转录组，并且通过分析二者之间的关联性重塑了单细胞中顺势调控元件与靶基因之间的关系，这无疑给研究细胞之间的调控模式差异提供了一个新的思路。

同时，本文通过对人类早期胚胎scCAT-Seq测序的实践，绘制出了第一个早期胚胎单细胞染色质开放区域与转录组的关联图谱，进一步证实了scCAT-Seq在深入分析细胞的分化与发育中的重要作用。这两个层面的信息也给了“单个细胞”更确切的定义，同时使得细胞间调控异质性在复杂的细胞类群中被呈现出来。

撰稿：付 娟

编辑：市场部