上一期我們發(fā)布了博奧晶典最新推出的基于10x Genomics平臺(tái)的新產(chǎn)品—單細(xì)胞ATAC-seq的技術(shù)及原理，你是不是還在回味其中呢？不要著急，下面小編通過(guò)《Cell》上的一篇文章展示單細(xì)胞ATAC-seq的數(shù)據(jù)分析思路，及其聯(lián)合人類GWAS數(shù)據(jù)解析人類疾病與細(xì)胞類型的奧秘，為單細(xì)胞ATAC-seq多數(shù)據(jù)整合提供參考依據(jù)
單細(xì)胞ATAC-seq繪制哺乳動(dòng)物
染色質(zhì)可及性圖譜
| 發(fā)表時(shí)間：2018年8月
| 發(fā)表期刊：《Cell》
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| 影響因子：31.398
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作者：Darren A. Cusanovich,Andrew J. Hill, DelasaAghamirzaie
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摘 要：本文通過(guò)單細(xì)胞ATAC-seq技術(shù)對(duì)成年雄性小鼠13個(gè)組織的單細(xì)胞染色質(zhì)可及性進(jìn)行了分析。結(jié)果共鑒定出85個(gè)亞群和40萬(wàn)種調(diào)控元件。為理解不同哺乳動(dòng)物細(xì)胞類型的染色質(zhì)可及性和解釋人類全基因組關(guān)聯(lián)疾病奠定了基礎(chǔ).
亮點(diǎn)
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? 通過(guò)單細(xì)胞ATAC-seq技術(shù)繪制小鼠不同組織染色質(zhì)可及性圖譜
? 對(duì)哺乳動(dòng)物不同組織內(nèi)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進(jìn)行注釋并解析細(xì)胞類型
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? 染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)幫助解釋人類特征性疾病和細(xì)胞類型的關(guān)系
研究思路
研究結(jié)果
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1 評(píng)估數(shù)據(jù)結(jié)果
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單細(xì)胞ATAC-seq技術(shù)研究成年雄性小鼠C57BL/6J的13個(gè)組織單細(xì)胞染色質(zhì)可及性（圖1A.B），結(jié)果顯示每個(gè)組織的細(xì)胞總數(shù)范圍從小腦2278個(gè)到肺9996個(gè)。每個(gè)細(xì)胞可接受的最小讀取深度從骨髓656個(gè)到胸腺1734個(gè)（圖1D左），共鑒定到436206個(gè)可及性位點(diǎn)（圖1D右），并為所有細(xì)胞可及性內(nèi)位點(diǎn)進(jìn)行活性評(píng)分（圖1E）。
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圖1 小鼠單細(xì)胞染色質(zhì)可及性工作流程 2 染色質(zhì)可及性圖譜繪制
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質(zhì)控之后，對(duì)13個(gè)組織的81173個(gè)細(xì)胞的染色質(zhì)可及性繪制t-SNE（圖2A），并鑒定出30個(gè)細(xì)胞亞群（圖2B），發(fā)現(xiàn)每個(gè)細(xì)胞亞群大多來(lái)自于同一組織（亞群7的細(xì)胞97%來(lái)自于心臟，可能為心肌細(xì)胞）。30個(gè)亞群表現(xiàn)出了明顯的異質(zhì)性，對(duì)每個(gè)亞群中的細(xì)胞進(jìn)行重復(fù)t-SNE和Louvain聚類分析,共識(shí)別85個(gè)細(xì)胞亞群（圖2C）。
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利用相關(guān)基因的啟動(dòng)子對(duì)85個(gè)亞群的細(xì)胞類型進(jìn)行注釋，除9個(gè)亞群細(xì)胞類型未知，大多數(shù)亞群注釋到特異性細(xì)胞類型（圖2D）。
圖2 單細(xì)胞染色質(zhì)可及性圖譜繪制
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3 單細(xì)胞染色質(zhì)可及性與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù) 相關(guān)性分析
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構(gòu)建哺乳動(dòng)物細(xì)胞類型綜合圖譜。將單細(xì)胞染色質(zhì)可及性與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組比較分析，發(fā)現(xiàn)不同組織的細(xì)胞類型表現(xiàn)出一致性。利用Spearman對(duì)每個(gè)ATAC-seq亞群的平均歸一化活性評(píng)分與兩個(gè)組織（腎、肺）RNA-seq的平均歸一化基因表達(dá)譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法注釋的細(xì)胞類型表現(xiàn)出高度一致性（圖3A.B）。RNA-seq表達(dá)和ATAC-seq活性評(píng)分組合矩陣進(jìn)行PCA分析，基于KNN分類將RNA-seq中最常見(jiàn)的標(biāo)記關(guān)聯(lián)到ATAC-seq數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)它們對(duì)細(xì)胞類型的分配基本一致（圖3C-3G），因此可以使用更簡(jiǎn)單的單細(xì)胞ATAC-seq對(duì)細(xì)胞亞群進(jìn)行注釋。
圖3 單細(xì)胞ATAC-seq數(shù)據(jù)與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)整合分析注釋細(xì)胞類型
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4 組織中特異性細(xì)胞類型
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為研究細(xì)胞類型是否表現(xiàn)出組織特異性。對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞群進(jìn)行重分析得到9個(gè)不同的亞群（圖4A），每個(gè)亞群都顯示出組織特異性（圖4B）。基于活性評(píng)分的可及性數(shù)據(jù)顯示， Flt4和EphB4是靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的Marker（圖4C）。數(shù)據(jù)表明內(nèi)皮細(xì)胞在組織內(nèi)和組織間具有特殊的染色質(zhì)可及性。單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞的染色質(zhì)可及性都表現(xiàn)出組織特異性（圖4D-F）。
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圖4 染色質(zhì)可及性反應(yīng)組織特異性細(xì)胞類型
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染色質(zhì)可及性反映組織空間構(gòu)架
為了研究神經(jīng)元細(xì)胞中染色質(zhì)可及性的異質(zhì)性，重分析前額皮質(zhì)的細(xì)胞（圖5G），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，興奮性神經(jīng)元和中間神經(jīng)元明顯地與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞分離（圖5H）。在興奮性神經(jīng)元內(nèi)仍存在顯著的異質(zhì)性，可能反映了PFC不同層中的差異表達(dá)和甲基化（圖5I）。因此推測(cè)細(xì)胞類型相對(duì)于解剖學(xué)坐標(biāo)而變化。腎臟染色質(zhì)可及性也表現(xiàn)出這樣的特性（圖J-L）。
圖5 染色質(zhì)可及性與組織空間構(gòu)架
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6 造血過(guò)程中染色質(zhì)可及性動(dòng)態(tài)變化
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研究骨髓造血部位的染色質(zhì)可及性t-SNE亞群圖如下（圖6A），染色質(zhì)可及性不能完全分離細(xì)胞，因此利用Monocle 2繪制染色質(zhì)可及性擬序列分析，探索血液的發(fā)育階段。結(jié)果發(fā)現(xiàn)分支F4和F2上更容易獲得紅細(xì)胞或淋巴樣細(xì)胞的特異性增強(qiáng)子；在F5和兩個(gè)小分支（F1和F3）上更容易獲得骨髓特異性增強(qiáng)子（圖6B）。特異性標(biāo)記基因（Cd3e、Cd19、Hbb-b1和Cd11b / Itgam）的活性評(píng)分在根部處于或接近零，但是分別在五個(gè)分支的末端急劇上升（圖6C）。這些觀察結(jié)果與將造血祖細(xì)胞指定為B細(xì)胞（F2）、T細(xì)胞（F3）、紅細(xì)胞（F4）和單核細(xì)胞（F5）的結(jié)果基本一致。
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圖6 造血過(guò)程中的染色質(zhì)可接近性動(dòng)態(tài)變化
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人類基因組關(guān)聯(lián)分析揭示細(xì)胞類型與疾病關(guān)系
根據(jù)全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）的數(shù)據(jù)，普通人類特征和疾病的遺傳主要通過(guò)遠(yuǎn)端調(diào)控元件且具有細(xì)胞特異性。因此，使用LDSC模型將人類的SNP提升到小鼠基因組中，根據(jù)DA峰值的重疊進(jìn)行注釋，并計(jì)算85個(gè)亞群中的DA峰值富集情況（圖7A）。結(jié)果顯示自身免疫性疾病如遺傳性狼瘡富集發(fā)生在神經(jīng)元細(xì)胞（圖7B下），組織塊富集的峰不明顯（圖7B上），說(shuō)明單細(xì)胞染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)定義細(xì)胞類型的重要性。如LDL膽固醇、HDL膽固醇和甘油三酯類疾病富集在肝細(xì)胞（圖7B下）；免疫球蛋白A（IgA）缺乏的疾病富集在T細(xì)胞（圖7C）。具有雙相障礙的疾病富集在興奮性神經(jīng)元（圖7D）；阿爾茨海默病最強(qiáng)富集在小膠質(zhì)細(xì)胞（圖7E）。
圖7 小鼠染色質(zhì)可及性圖譜與可遺傳的人類性狀
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結(jié)論
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文章通過(guò)單細(xì)胞ATAC-seq技術(shù)繪制小鼠13個(gè)組織的染色質(zhì)可及性圖譜，共分出85個(gè)細(xì)胞亞群，找到40萬(wàn)個(gè)差異染色質(zhì)可及性元件，并鑒定出大部分亞群的細(xì)胞類型。與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)整合注釋細(xì)胞類型，證明了染色質(zhì)可及性注釋細(xì)胞類型的可靠性，并且可以反映組織特異性及組織空間構(gòu)架。最后，小鼠染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)與人類基因組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析揭示了人類特征性疾病與細(xì)胞類型的關(guān)系。為深入挖掘單細(xì)胞ATAC-seq數(shù)據(jù)，多數(shù)據(jù)整合分析提供了新思路。
參考文獻(xiàn)：
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Darren A. Cusanovich, Andrew J. Hill, Delasa Aghamirzaie,et al. A Single-Cell Atlas of In Vivo Mammalian Chromatin Accessibility.Cell(2018).