基因组的三维（3D）结构是基因调控的基础。基因组通过空间折叠可形成染色质疆域、拓扑关联结构域（TAD）、染色质环等多尺度结构，使远端调控元件相互靠近，从而精确协调决定细胞身份和状态的转录程序；这对发育和分化至关重要，其结构异常可导致癌症和神经发育障碍等疾病。近年来，单细胞Hi-C、染色质-RNA联合测序等虽揭示了染色质折叠与转录的关联，但均依赖组织解离，丢失关键空间信息；现有空间组学技术可保留组织完整性实现多组学原位检测，无法无偏捕获全基因组染色质折叠特征。
近日，美国宾夕法尼亚大学邓彦翔、ARC研究所周镜天等团队合作，开发了空间多组学技术Spatial Hi-C-RNA，能够在同一组织切片上以近单细胞分辨率同步绘制全基因组染色质构象与全转录组图谱。在小鼠胚胎和成年脑中，该技术生成了高分辨率组织图谱，揭示染色质折叠与基因表达共同定义了与组织学结构一致的空间相干区域，两种组学信号既重合特征又有独特模式，表明二者提供互补的空间调控信息。在人黑色素瘤中，该技术的两类图谱均可勾勒肿瘤边界与微环境生态位；同时该技术能够解析胚胎谱系分化、肿瘤进展的时空动态变化。总之，Spatial Hi-C-RNA将空间组学能力从转录、表观拓展至染色质构象层面，为理解发育和疾病中的组织生物学提供了全新的整合框架。相关内容发表在bioRxiv预印本平台。
Spatial Hi-C-RNA整合了微流控原位条形码、高通量染色质构象捕获和RNA测序，可在完整组织切片中同时分析三维基因组组织和基因表达。该技术采用双交联策略固定新鲜冷冻组织，完整保留染色质天然构象；利用生物素化poly(T)引物原位捕获mRNA完成反转录，随后利用三酶组合酶切、邻近连接捕获染色质互作；通过两轮正交微流控芯片引入空间条形码，形成80×80或200×200的条形码阵列，实现空间定位；然后分别构建Hi-C和RNA测序文库。
研究团队选用小鼠大脑、人黑色素瘤、E11.5小鼠胚胎多种组织，评估了Spatial Hi-C-RNA在不同组织类型和分辨率下的性能。在成年小鼠脑中，该技术产生了6,275个空间像素，每个像素中位unique reads对为593,680，检测到的染色质接触数与主流单细胞Hi-C方法相当；转录组中每个像素中位检测到1,458个基因和3,210个UMI，与此前的空间转录组研究相当。染色质接触概率衰减曲线、伪批量接触图谱、区室和绝缘分数均重现已知基因组结构，表明其可稳健捕获三维基因组多尺度特征。此外，与单细胞液滴Hi-C相比，该技术捕获了更高比例的染色质接触。
图1. Hi-C-RNA方法概述
以成年小鼠大脑为模型，研究团队通过Spatial Hi-C–RNA技术绘制脑空间图谱，解析了染色质架构与细胞特异性转录的空间协同调控规律。无监督聚类显示，基于转录组可划分12个与解剖区域对应的空间域，而基于Hi-C染色质特征仅分出5个边界模糊的宽泛区域；将两者整合后能识别皮层、丘脑内部等精细亚区，显著提升空间分辨率。空间Hi-C定量分析表明，神经元富集区域（皮层、海马CA区）的短程/长程染色质互作比例显著高于白质富集区域；神经元与非神经元富集区域的A/B区室存在动态重塑。进一步，利用随机森林分类器筛选出两个关键染色质bin，与神经元富集域相关的Chr7:90.5–91 Mb，维持活跃A区室，富集谷氨酸突触传导相关基因；与少突胶质细胞主导的域相关的Chr1:50.5–51 Mb，与髓鞘形成功能基因协同表达。
在5 kb染色质环分辨率下，利用TACCO结合外部单细胞转录组参考数据，Spatial Hi-C–RNA能精准区分各类神经元与胶质细胞，并检测到L2/3 IT、L4兴奋性神经元中Satb2和Spats2l位点的特异性强染色质环，环强度与对应基因空间表达一致。这表明该技术能够可靠捕获从区室到环的多尺度三维基因组结构，并将其与细胞特异转录直接关联。
图2.小鼠脑内基因表达的空间基因组区室化和整合
研究团队将Spatial Hi-C-RNA应用于人黑色素瘤组织，并与相邻切片的空间ATAC-seq整合，构建了染色质构象、可及性和转录组的多组学空间图谱。聚类分析显示，RNA谱识别出6个宽泛转录簇，而Hi-C分出12个精细空间域，整合两种组学共产生8个联合空间簇，清晰划分肿瘤细胞、CAF、浆细胞、角质细胞边界。黑色素瘤核心转录因子PAX、致癌基因ACSL3在肿瘤、CAF区域特异性形成染色质环，呈现活跃A区室、可及性增加、基因高表达的协同特征；关键基因PAX3和LINC00299，呈现相反的区室状态、表达水平和可及性。
通过比较CAF富集区与肿瘤核心区，前者高度富集免疫细胞，后者则以黑色素瘤细胞亚型为主，免疫浸润受限。拟时间分析显示，黑色素细胞向侵袭型肿瘤细胞演进过程中，染色质重塑与转录重编程同步发生；肿瘤基因组抑制亚区室向活跃区室转换、TAD边界侵蚀、染色质短距互作升高，利于致癌通路激活。SCENIC+联合分析鉴定肿瘤核心调控因子ETV5，ZNF704、EP300等是其肿瘤特异性增强子调控单元，下游靶基因STXBP5在TME同步出现可及性与表达上调，形成完整调控轴。研究还引入了深度学习工具iStar，可结合常规H&E病理切片，超分辨预测组织三维基因组分区，具备临床病理转化价值。
图3. 人类黑色素瘤中染色质重塑与转录重编程
研究团队将Spatial Hi-C-RNA应用于E11.5小鼠胚胎（10 μm分辨率），绘制了近单细胞分辨率的三维基因组与转录组空间图谱。结果显示，转录组聚类为14个对应胚胎主要解剖区域的簇，Hi-C分为6个宽泛结构域，整合后得到12个与解剖结构精确对齐的多模态簇；细胞类型解卷积揭示了神经祖细胞、分化神经元、软骨/成骨祖细胞、红系及上皮谱系等空间分布。拟时间分析显示，神经前体细胞向兴奋性、抑制性神经元分化过程中，短距染色质互作持续提升，A区室逐步激活，神经元特异性染色质环持续增强。
同一组织区域内共存早期（H3）与晚期（H0）两类染色质状态；H3中神经前体细胞与神经嵴细胞高共现，在H0中与感官上皮细胞局部共现，表明空间Hi-C可识别形态相近组织内部的发育异质性，捕捉微环境细微差异。跨尺度分析显示，神经元分化过程中顺式短/长距染色质互作增加，A区室逐步激活，且神经元特异基因（如Dscam1）出现增强的染色质环。进一步将Hi-C定义的染色质状态映射到高分辨率Stereo-seq时空转录组数据中，发现E10.5至E11.5期间，肝脏H4染色质特征比例稳定，而脑区H0/H3比例发生显著变化伴随剧烈三维基因组重构，心脏H5染色质特征随成熟逐步累积，揭示早期胚胎器官发育存在异步化染色质动态调控。
图4. 小鼠胚胎3D基因组结构与基因表达的空间共谱分析
研究首次开发可在完整组织原位同步捕获全基因组染色质构象与转录组的空间多组学技术，填补了空间组学中三维基因组层面的空白。该技术不仅揭示了染色质结构与转录程序协同定义空间域的基本原则，还展现了二者互补的信息层次；该平台可与空间ATAC-seq、病理成像联用，结合深度学习实现低成本病理切片推演三维基因组图谱，为发育机制、肿瘤精准诊断提供全新研究工具。
参考文献：
https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.28.741242v1
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