在國家重點研發計劃“干細胞及轉化”重點專項（批準號：2017YFA0103402）等資助下，北京大學分子醫學研究所、北大-清華生命科學聯合中心何愛彬課題組近期突破單細胞表觀遺傳研究的瓶頸，開發了兩種具有普適性、操作簡單、風格迥異的單細胞ChIP-seq技術，可適應于不同課題研究需要，解析發育與疾病狀態下細胞命運決定調控機制。這兩項技術分別于2019年8月27日在Molecular Cell和2019年9月3日在Nature Cell Biology在線發表。研究論文題目分別為“CoBATCH for high-throughput single-cell epigenomic profiling”和“Profiling chromatin state by single-cell itChIP-seq”。
多細胞生物體由具有相同基因組的不同細胞類型組成，在器官組織發育過程中，細胞狀態和細胞命運決定的機制一直是領域普遍關心的問題。無論在發育過程還是疾病狀態下，表觀遺傳因素（不改變DNA序列的情況下卻能引起基因表達變化或表型）在細胞命運決定中起著指導性作用。細胞類型和功能異質性往往通過調控基因表達來實現。目前研究多集中在單細胞轉錄組水平，單細胞水平解析表觀調控機制也鮮有報道，而從單細胞、全基因組范圍研究組蛋白修飾和轉錄因子如何控制細胞譜系發生、命運決定則尚屬空缺。
技術的革新為解析細胞命運決定的機制帶來了新的可能性。染色質免疫共沉淀（ChIP-seq）是研究表觀遺傳調控的重要技術手段，可以在全基因組范圍內捕獲DNA-蛋白質的相互作用。但受限于實驗原理和儀器設備，ChIP-seq技術在單細胞水平的研究和應用一直進展緩慢，目前還缺乏一種具有普適性、易操作、高質量的單細胞ChIP-seq技術。為解決這一技術難題，該研究組采用不同的實驗策略，開發出兩種新型單細胞ChIP-seq技術，并將其命名為CoBATCH和sc-itChIP。前者利用融合蛋白PAT（Protein A-Tn5）識別和切割抗體結合的特定基因組區域，并結合組合條形碼標記單細胞技術，實現了高通量的單細胞捕獲；后者利用Tn5均勻切割基因組，隨后用免疫共沉淀富集目的基因組片段。研究者用CoBATCH單細胞技術首次解析了小鼠胚胎10個不同器官（心臟、肝臟、肺、左腦、右腦、后腦、腎臟、皮膚、肌肉和小腸）的內皮細胞譜系發育、分化和功能的異質性。通過整合單細胞itChIP和單細胞轉錄組數據，研究者揭示了心臟干細胞向心肌和內皮細胞分化過程中細胞類型特異性增強子對細胞命運決定的調控機制。
新技術引領生命科學的發展，該課題組不僅開發了適合高通量樣品的單細胞ChIP-seq技術——CoBATCH，也開發出單細胞itChIP技術用于捕獲起始量只有幾十個單細胞的樣品，這為研究稀少細胞樣品例如植入前胚胎等的表觀調控異質性提供了新的技術方法。這兩種單細胞ChIP-seq將為解決細胞命運決定等最本質的發育生物學問題以及解析復雜的疾病發生過程提供強有力的技術手段。
北京大學何愛彬研究員為這兩篇文章的通訊作者。