Пространственный эпигеном

Nature, том 616, страницы 113–122 (2023 г.) Процитировать эту статью

58 тысяч доступов

7 цитат

294 Альтметрика

Подробности о метриках

Новые пространственные технологии, включая пространственную транскриптомику и пространственную эпигеномику, становятся мощными инструментами для профилирования клеточных состояний в тканевом контексте1,2,3,4,5. Однако современные методы фиксируют только один уровень омической информации за раз, что исключает возможность изучения механистических взаимосвязей в центральной догме молекулярной биологии. Здесь мы представляем две технологии для пространственно разрешенного, полногеномного, совместного профилирования эпигенома и транскриптома путем совместного секвенирования доступности хроматина и экспрессии генов или модификаций гистонов (H3K27me3, H3K27ac или H3K4me3) и экспрессии генов на одном и том же участке ткани при почти разрешение одной ячейки. Они были применены к мозгу эмбрионов и юных мышей, а также к мозгу взрослого человека, чтобы составить карту того, как эпигенетические механизмы контролируют транскрипционный фенотип и динамику клеток в тканях. Хотя очень согласованные тканевые особенности были идентифицированы либо с помощью пространственного эпигенома, либо с помощью пространственного транскриптома, мы также наблюдали различные закономерности, что указывает на их различную роль в определении состояний клеток. Связывание эпигенома с транскриптомом пиксель за пикселем позволяет открыть новое понимание пространственного эпигенетического прайминга, дифференциации и регуляции генов в тканевой архитектуре. Эти технологии представляют большой интерес в науках о жизни и биомедицинских исследованиях.

Одноклеточная мультиомика позволяет раскрыть механизмы регуляции генов на разных уровнях омики6,7,8,9, но ей не хватает пространственной информации, которая имеет решающее значение для понимания клеточных функций в тканях. Пространственная эпигеномика, транскриптомика и протеомика появились недавно1,2,3,4,5, но большинство из них могут улавливать только один уровень омической информации. Хотя вычислительные методы могут интегрировать данные из нескольких омиков10, они не могут легко выявить механические связи между различными слоями омиков. Ранее мы разработали детерминированное штрих-кодирование в тканях для пространственного омического секвенирования для пространственно-разрешенного соизмерения транскриптома и панели белков1, а недавно это также было реализовано на платформе 10X Visium11. В данной работе для дальнейшего изучения эпигенетических механизмов, лежащих в основе регуляции экспрессии генов, мы разработали пространственно разрешенное полногеномное компапирование эпигенома и транскриптома путем одновременного профилирования доступности хроматина и экспрессии информационной РНК (пространственный анализ хроматина и РНК, доступных для транспозаз, с использованием секвенирования (( пространственный ATAC–RNA-seq)), или модификации гистонов и экспрессия мРНК (пространственный анализ расщепления под мишенями и тегирование и РНК с использованием секвенирования (пространственный CUT&Tag–RNA-seq); применяется к модификациям гистонов H3K27me3, H3K27ac или H3K4me3) на одном и том же срез ткани на клеточном уровне с помощью детерминистического кобаркодирования для интеграции химии пространственного ATAC-seq3 или пространственного CUT&Tag2 с химией пространственной транскриптомики. Мы применили эти методы к мозгу эмбрионов и молодых мышей, а также к гиппокампу мозга взрослого человека, чтобы проанализировать эпигенетические и транскрипционные состояния и их роль в регуляции динамики типов клеток в тканях. Эта работа открывает новые горизонты в пространственной омике и может предоставить беспрецедентные возможности для биологических и биомедицинских исследований.

Пространственное ATAC-RNA-seq схематически показано на рис. 1a и расширенных данных на рис. 1a–c. Замороженный срез ткани фиксировали формальдегидом и обрабатывали транспозиционным комплексом Tn5, предварительно загруженным ДНК-адаптером, содержащим универсальный лигирующий линкер, который можно вставлять в доступные для транспозазы локусы геномной ДНК. Затем тот же срез ткани инкубировали с биотинилированным адаптером ДНК, содержащим универсальный лигирующий линкер и последовательность поли-Т, которая связывается с поли-А-следом мРНК, чтобы инициировать обратную транскрипцию (ОТ) в ткани. Затем на срез ткани помещали чип массива микрожидкостных каналов для введения пространственных штрих-кодов Ai (i = 1–50 или 100), которые были ковалентно конъюгированы с универсальным линкером лигирования посредством шаблонного лигирования. Затем другой микрочип с микроканалами, перпендикулярными первому направлению потока, использовался для введения пространственных штрих-кодов Bj (j = 1–50 или 100), которые затем лигировались со штрих-кодами Ai (i = 1–50 или 100), в результате чего получался двухмерный код. размерная сетка пикселей ткани с пространственным штрих-кодом, каждый из которых определяется уникальной комбинацией штрих-кодов Ai и Bj (i = 1-50 или 100, j = 1-50 или 100; пикселей со штрих-кодом, n = 2500 или 10000). Наконец, после обратного сшивания были высвобождены штрих-кодированные фрагменты комплементарной ДНК и геномной ДНК. кДНК обогащали гранулами стрептавидина, а фрагменты гДНК сохранялись в супернатанте. Библиотеки гДНК и кДНК были созданы отдельно для секвенирования следующего поколения (NGS). Пространственный CUT&Tag-RNA-seq выполняли путем нанесения антитела против специфической модификации гистонов (H3K27me3, H3K27ac или H3K4me3) на срез ткани, а затем с использованием комплекса Tn5-ДНК, связанного с белком А, для выполнения CUT&Tag. Остальные шаги были аналогичны шагам для пространственного ATAC-RNA-seq (рис. 1a и расширенные данные, рис. 1a,d,e), но привели к пространственному совместному профилированию полногеномной модификации гистонов и транскриптома.