2021-01-11
在一个组织内部存在不同类型不同状态的细胞调控生物学进程，通过单细胞测序可对组织内部不同类别的细胞逐个进行描述和分析。当获得组织内部的所有细胞的转录图谱后，新的问题便随之而来：细胞在发育进程的分化，不同状态之间的转换，信号传导途径的开闭，均受到不同层面的调控。我们所看到的基因表达，是一个“果”，而确定这个“果”的“因”，又是什么呢？在组织水平，追溯转录组“果”的“因”，常常会拓展到信号分子的感知与信号传递、表观调控等多个层面进行细致研究。那么在单细胞水平，又如何探索单细胞转录组“果”的“因”呢。
10Xgenomics利用Tn5可酶切开放染色质区域并且在核酸片段两端加上接头的特点，开发了单细胞ATAC（Assay for Transposase-Accessible Chromatin）技术，利用微流控系统捕获Tn5加上的接头序列，完成对单细胞内部的染色质开放区域的测序。
将制备的单细胞悬液一分为二，一部分进行单细胞转录组测序，一部分进行单细胞ATAC测序，可将组织内部各个细胞的基因表达谱和染色质可及性一一呈现，通过相关性分析，可确定不同方法之间的细胞相关性。
从转录组数据出发，我们提出问题：不同基因的转录on/off，是由什么机制决定的；从ATAC数据出发，我们提出问题：染色质的开放状态，决定了什么基因的转录？了解了某个关注基因的染色质可及区域，通过分析染色质可及区域的序列，判断可能激活其转录的转录因子类型，通过分析细胞内表达的该类转录因子的成员，判断可能的激活该基因表达的转录因子。通过这样的研究，我们可将问题从“在单细胞水平，基因是谁，在干什么”拓展到“在单细胞水平，基因如何被调控，为什么这个干”。
这样将样品一分为二进行整体水平的研究，而非单个细胞水平的一一对应的研究，仍然满足不了严谨的科学工作者的需求，为此，10Xgenomics推出了在同一个细胞内部同时进行单细胞转录组测序+ATAC测序的解决方案。仅需稍作修改凝胶珠的捕获序列，不改变样本制备、上机分选等关键步骤，就可以轻松实现无偏差的转录组结果与ATAC结果的一一对应。
接下来我们针对文章里常用到的一个图做个详细解读吧。比如该NCAM1基因，其表达在CD56(bright) NK 细胞中表达最高，在CD56(dim) NK 细胞中也有较高的表达。相对应地，在染色质的区域1，可检测到高水平的染色质开发区域，说明区域1是一个NACAM1的enhancer。此外，在表达较高的两类细胞中，亦可见区域2的染色质开放区域，说明区域2也是一个enhancer，而其促进转录的能力不如区域1。另一方面，NCAM1在单核细胞中表达很低，在染色质的区域3，也可检测到高水平的开放染色质，说明该区域发挥suppressor的功能，抑制NCAM1的表达。进一步地，可分析区域1有哪些转录因子的结合位点，可预测促进其表达的转录因子，并结合在高表达细胞表达的转录因子进一步筛选其可能的转录激活因子。
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