表观基因组学是研究基因表达调控的一个重要领域，近年来，随着单细胞测序技术的发展，科学家们能够更加深入地了解细胞在不同条件下的基因表达和表观基因组变化。特别是对于癌症研究，了解药物如何影响肿瘤细胞的基因组和表观基因组是开发有效治疗方法的关键。
在癌症研究中，表观遗传修饰如组蛋白修饰和染色质可及性在肿瘤发生和发展中起着重要作用。许多小分子药物通过改变这些表观遗传标记来抑制肿瘤细胞的生长。例如，BET抑制剂（如JQ1）通过阻断BRD4蛋白与染色质的结合，进而抑制肿瘤细胞的增殖。然而，单一药物的治疗效果有限，且肿瘤细胞常常通过多种机制产生耐药性。因此，了解不同小分子药物在单细胞水平上的基因组和表观基因组结合情况，对于设计更有效的组合疗法具有重要意义。
近日，北京大学未来技术学院/北京大学-清华大学生命科学联合中心/北京大学肿瘤医院/北京大学成都前沿交叉生物技术研究院何爱彬团队与北京大学国际癌症研究院/北京大学肿瘤医院舒绍坤团队合作在Nature Methods杂志在线发表题为Single-cell EpiChem jointly measures drug-chromatin binding and multimodal epigenome的研究论文。该研究提出了一种新的技术——单细胞EpiChem（scEpiChem），能够同时测量小分子药物在单细胞中的基因组结合位点及其对表观基因组的影响。这种方法结合了药物标记和单细胞测序技术，使研究人员能够在高通量水平上分析不同药物与细胞内基因组和表观基因组的相互作用，为理解药物作用机制和开发新的抗癌疗法提供了新的工具。
图示描述：
1) 单细胞EpiChem分析小分子药物的基因组结合位点。首先，图1展示了单细胞EpiChem的设计示意图（图1a），该技术通过标记小分子药物并结合表观基因组测序，实现对单细胞中药物结合位点的高通量分析。在K562和HGC27细胞中，JQ1-btn在代表性基因组区域的信号轨迹图，分别展示了大规模细胞水平（bulk）、单细胞聚合水平（agg）和随机选择的100个单细胞的药物结合信号。通过散点图展示了人鼠混合测试中JQ1-btn信号的物种分布情况，红色和蓝色点分别代表人和鼠细胞，灰色点表示混合细胞。在K562和HGC27细胞在UMAP嵌入图中的分布情况，进一步验证了scEpiChem在单细胞层面对药物结合和表观基因组变化的检测能力。
2) 单细胞EpiChem联合分析小分子药物JQ1的基因组结合与组蛋白修饰或染色质可及性。研究人员进一步展示了scEpiChem的联合分析能力。可以同时测量小分子药物JQ1-btn与组蛋白修饰H3K27me3的结合。图2b显示了JQ1-btn和H3K27me3在3,619个细胞中的双模式UMAP嵌入图，连接线表示相同细胞在不同模式下的分布。图2c则通过小提琴图展示了K562和HGC27细胞中JQ1-btn和H3K27me3的非重复读取数的中位数。图2d展示了scEpiChem在K562细胞中的聚合单细胞数据与随机选择的100个单细胞在代表性基因座上的信号轨迹。这些研究结果表明，scEpiChem能够成功地同时测量药物靶点结合和染色质结合蛋白/可及性。
3) 单细胞EpiChem鉴定结直肠癌类器官中不同小分子药物的细胞类型特异性基因组结合动态。为了证明单细胞EpiChem在实际应用中的价值，研究了结直肠癌类器官中三种小分子药物的细胞类型特异性基因组结合动态（图3a）。UMAP图显示了scEpiChem在14,027个细胞中的嵌入图，识别出上皮细胞和中间EMT细胞。图3b展示了不同实验批次中scEpiChem实验的未检测到的批次效应。图3c显示了EMT进程的拟时轨迹，图3d展示了在上皮细胞和中间EMT细胞中三种小分子药物在代表性基因座上的信号轨迹。这些结果揭示了这些小分子在人类CRC类器官培养过程中的差异、动态基因组结合位点。
4) 单细胞EpiChem动态绘制JQ1-btn基因组结合及其在结直肠癌类器官中BRD4的结合情况。接下来，研究人员展示了scEpiChem如何动态绘制JQ1-btn在结直肠癌类器官中的基因组结合及其目标BRD4的结合情况（图4a）。UMAP图显示了19,983个细胞中JQ1-btn、BRD4和ATAC的嵌入图，识别出上皮细胞和中间EMT细胞。图4b展示了EMT进程的拟时轨迹，图4c展示了VIM和CDH1的基因活性评分的UMAP投影。图4d展示了沿拟时动态变化的BRD4和JQ1的基因组信号热图。总之，这些结果数据揭示了药物基因组结合和表观基因组景观的调控相互作用。这些结果可能为理解药物反应异质性提供见解。
全文总结：
该研究中提出的单细胞scEpiChem能够同时测量多个表观基因组特征和小分子药物的基因组结合位点，提供了高通量的分析能力。该技术能够识别不同细胞类型的基因组结合动态，使研究人员能够深入了解药物在不同细胞类型中的作用机制。通过详细分析药物的基因组结合位点和表观基因组变化，scEpiChem为开发更有效的组合疗法提供了宝贵的数据支持。
参考文献：
Dong, Chao et al. “Single-cell EpiChem jointly measures drug-chromatin binding and multimodal epigenome.” Nature methods, 10.1038/s41592-024-02360-0. 18 Jul. 2024, doi:10.1038/s41592-024-02360-0.
版权声明：标注‘原创’仅代表原创编译，本平台不主张对原文的版权。本平台转载仅仅是出于学术交流和传播信息的需要，并不意味着代表本平台观点或证实其内容的真实性；转载文章版权归原作者所有，作者如果不希望被转载或有侵权行为，请联系本平台删除。
热门跟贴