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在细胞的分化与衰老过程中，遗传物质在不同维度上发生着变化。除了随处可见的基因突变，染色质的三维折叠结构也在不同细胞中表现出了明显了异质性。因此，要掌握细胞内核酸相互作用的调控方式，在细胞分辨率上了解染色质构象与基因表达之间的关系就显得十分重要。
近些年来，单细胞多组学技术的发展实现了对两者的联合分析，但要同时分析单个细胞的多重染色质相互作用、基因表达和RNA-染色质相互作用，仍是一项极具挑战性的任务。
近日，加州大学圣地亚哥分校钟声教授团队在《自然》杂志发表研究论文，开发了一项名为单细胞多核酸相互作用测序（multinucleic acid interaction mapping in single cells, MUSIC）的全新技术。这款独特的工具填补了上述空白，为理解与大脑衰老相关的染色质特征，以及疾病相关性别差异等重要问题提供了全新视角。
研究论文指出，为了实现对上述相互作用网络的分析，MUSIC的开发包含了3个设计目标：
1. 通过独特的细胞条形码标记细胞核内的所有RNA和DNA片段，从而鉴定出来自同一细胞核的RNA和DNA片段；
2. 使用不同的核苷酸序列分别与RNA和DNA分子连接，从而区分出测序文库中的RNA和DNA插入片段；
3. 为每个分子复合物标记独特的复合条形码，以捕捉、识别DNA-DNA和RNA-DNA关联。
基于这一系列的设计，MUSIC能够在单细胞分辨率下，实现对复杂组织中染色质相互作用、基因表达和 RNA-染色质相互作用的联合分析。
▲MUSIC的工作流程图（图片来源：参考资料[1]）
完成对MUSIC的构建后，研究团队将该工具应用于14位高龄捐赠者的额叶皮层样本。MUSIC描绘了不同皮层细胞的类型和状态，并且为我们揭示了与病理相关的染色质构象特征。
在人类皮质细胞中，染色质接触频率与在染色质上的距离相关。为了捕捉到这种频率分布的异质性，研究团队使用了一个名为LCS-erosion的指标。LCS-erosion更高，也就是局部染色质结构（local chromatin structure, LCS）的相互作用较少时，这些细胞表现出较为“年老”的转录组特征，并且和阿尔茨海默病病理相关。这种差异揭示了染色质构象和转录组年龄的相关性，并且首次从单细胞水平理解染色质结构与衰老的关联。
顺式表达定量性状位点（cis-eQTL）反映了单个序列变异的区域对邻近基因表达的影响。在此前的研究中，一道关于eQTL的难题是，为什么这些cis-eQTL与目标基因的配对往往具有细胞类型特异性？最新研究发现，在cis-eQTL和启动子之间表现出染色质接触的细胞类型，往往与cis-eQTL影响基因表达的细胞类型一致。这一结果说明，在未来的进一步探索中，需要关注染色质接触中细胞类型差异的重要性。
此外，MUSIC还为理解神经系统疾病在两性间的差异提供了新的证据。
与男性相比，女性似乎更容易受到神经退行性疾病和精神障碍的困扰。例如，患有迟发性阿尔茨海默病的女性人数是男性的两倍，而且女性患抑郁症和焦虑症的风险也明显更高。
基于MUSIC的分析显示，与男性皮层相比，女性皮层在染色质构象年龄上表现出更少的“年老”神经元和更多的“年老”少突胶质细胞。在小鼠实验中，雌性的少突胶质细胞表现出更多与年龄相关的细胞死亡，但在神经元中则没有这一现象。研究团队推测，女性中“老”年少突胶质细胞比例异常高，这有助于解释女性的神经退行性疾病和精神疾病风险更高的原因。
▲研究在女性前额皮质细胞中揭示了XIST-染色质相互作用的细胞特异性（图片来源：参考资料[1]）
另一方面，XIST是能够抑制X染色体基因表达的长链非编码RNA，XIST在X染色体上的积累导致女性的一条X染色体被沉默，这个被称作“X染色体失活”的过程平衡了两性的X染色体基因表达水平。而X染色体的不完全失活，可能导致了女性更高的神经系统疾病易感性。
最新研究发现，在女性皮质的神经细胞中，XIST非编码RNA和X染色体之间表现出高度异质性的相互作用。在部分细胞中，XIST和X染色体之间的相互作用减弱，这会导致与活性与非活性X染色体结构的差异减小，使得两性X染色体的基因表达表现出更明显的差异。这些多模式、单细胞数据为研究健康和疾病中的性别差异提供了重要资源。
综上，MUSIC为在细胞分辨率上探索复杂组织中的染色质结构和转录，提供了有力的工具。作者中，MUSIC技术由罗知非实现，赵文欣维护，数据分析和生物发现由文星曌作出。
参考资料：
[1] Wen, X., Luo, Z., Zhao, W. et al. Single-cell multiplex chromatin and RNA interactions in ageing human brain. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07239-w
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