공간 후성유전체

Nature 616권, 113~122페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

공간 전사체학 및 공간 후성유전학을 포함한 새로운 공간 기술은 조직 맥락에서 세포 상태를 프로파일링하기 위한 강력한 도구가 되고 있습니다. 그러나 현재의 방법은 한 번에 한 층의 오믹스 정보만 캡처하므로 분자생물학의 중심 교리에 걸친 기계적 관계를 조사할 가능성이 없습니다. 여기서는 염색질 접근성 및 유전자 발현, 히스톤 변형(H3K27me3, H3K27ac 또는 H3K4me3) 및 유전자 발현을 동일 조직 섹션에서 동일 시퀀싱하여 후성유전체와 전사체의 공간적으로 해결된 게놈 전체 공동 프로파일링을 위한 두 가지 기술을 제시합니다. 단일 셀 해상도. 이들은 후생적 메커니즘이 조직의 전사 표현형과 세포 역학을 어떻게 제어하는지를 파악하기 위해 배아 및 청소년 마우스 뇌와 성인 인간 뇌에 적용되었습니다. 매우 일치하는 조직 특징이 공간 후생유전체 또는 공간 전사체에 의해 확인되었지만 우리는 또한 뚜렷한 패턴을 관찰하여 세포 상태를 정의하는 데 있어 서로 다른 역할을 제안합니다. 후성유전체와 전사체를 픽셀 단위로 연결하면 조직 구조 내에서 공간적 후성유전적 프라이밍, 분화 및 유전자 조절에 대한 새로운 통찰력을 발견할 수 있습니다. 이러한 기술은 생명 과학 및 생물 의학 연구에서 큰 관심을 끌고 있습니다.

단일 세포 다중오믹스는 다양한 오믹스 계층6,7,8,9에 걸쳐 유전자 조절 메커니즘을 밝혀낼 수 있지만 조직의 세포 기능을 이해하는 데 중요한 공간 정보가 부족합니다. 공간 후성유전학, 전사체학 및 단백질체학이 최근에 등장했지만1,2,3,4,5 이들 중 대부분은 오믹스 정보의 한 계층만 캡처할 수 있습니다. 계산 방법은 여러 오믹스의 데이터를 통합할 수 있지만10 서로 다른 오믹스 레이어 간의 기계적 연결을 쉽게 밝혀낼 수는 없습니다. 이전에 우리는 전사체와 단백질 패널의 공간적으로 분해된 공동 측정을 위한 공간 오믹스 시퀀싱을 위해 조직에서 결정론적 바코드를 개발했으며 최근에는 10X Visium 플랫폼에서도 실현되었습니다11. 본 연구에서는 유전자 발현 조절의 기초가 되는 후생유전적 메커니즘을 추가로 조사하기 위해 염색질 접근성과 메신저 RNA 발현(시퀀싱을 사용한 트랜스포사제 접근 가능 염색질 ​​및 RNA에 대한 공간 분석)의 동시 프로파일링을 통해 후성유전체와 전사체의 공간적으로 해결된 게놈 전체의 컴핑을 개발했습니다. 공간 ATAC-RNA-seq)) 또는 히스톤 변형 및 mRNA 발현(표적 및 태깅화 및 시퀀싱을 사용한 RNA의 공간 분석(공간 CUT&Tag-RNA-seq), H3K27me3, H3K27ac 또는 H3K4me3 히스톤 변형에 적용됨) 공간 전사체학을 위한 공간-ATAC-seq3 또는 공간-CUT&Tag2의 화학을 통합하기 위해 결정론적 코바코딩을 통해 세포 수준의 조직 섹션. 우리는 후생적 및 전사 상태와 조직의 세포 유형 역학 조절에서의 역할을 분석하기 위해 배아 및 청소년 마우스 뇌뿐만 아니라 성인 인간 뇌 해마에 이러한 기술을 적용했습니다. 이 연구는 공간 오믹스의 새로운 지평을 열었으며 생물학 및 생물의학 연구에 전례 없는 기회를 제공할 수 있습니다.

공간 ATAC-RNA-seq는 그림 1a와 확장 데이터 그림 1a-c에 개략적으로 표시됩니다. 동결된 조직 절편을 포름알데히드로 고정하고 트랜스포사제 접근 가능 게놈 DNA 유전자좌에 삽입할 수 있는 범용 결찰 링커를 포함하는 DNA 어댑터가 미리 로드된 Tn5 전위 복합체로 처리했습니다. 그런 다음 동일한 조직 절편을 범용 결찰 링커 및 mRNA의 폴리-A 트레일에 결합하여 조직에서 역전사(RT)를 시작하는 폴리-T 서열을 포함하는 비오티닐화 DNA 어댑터와 함께 배양했습니다. 그런 다음 미세유체 채널 어레이 칩을 조직 섹션에 배치하여 템플릿화된 결찰을 통해 범용 결찰 링커에 공유적으로 접합된 공간 바코드 Ai(i = 1-50 또는 100)를 도입했습니다. 다음으로, 첫 번째 흐름 방향에 수직인 마이크로채널을 가진 또 다른 마이크로칩을 사용하여 공간 바코드 Bj(j = 1-50 또는 100)를 도입한 다음 바코드 Ai(i = 1-50 또는 100)에 결찰하여 두 개의 바코드를 생성했습니다. 공간적으로 바코드가 있는 조직 픽셀의 차원 격자는 각각 바코드 Ai와 Bj의 고유한 조합으로 정의됩니다(i = 1−50 또는 100, j = 1−50 또는 100, 바코드 픽셀, n = 2,500 또는 10,000). 마지막으로, 역가교 후 바코드가 표시된 상보적 DNA와 게놈 DNA 단편이 방출되었습니다. cDNA는 스트렙타비딘 비드로 농축되었고 gDNA 단편은 상청액에 유지되었습니다. gDNA와 cDNA의 라이브러리는 차세대 시퀀싱(NGS)을 위해 별도로 구축되었습니다. Spatial CUT&Tag-RNA-seq는 특정 히스톤 변형(H3K27me3, H3K27ac 또는 H3K4me3)에 대한 항체를 조직 절편에 적용한 다음 단백질 A 연결 Tn5-DNA 복합체를 사용하여 CUT&Tag를 수행함으로써 수행되었습니다. 나머지 단계는 공간 ATAC-RNA-seq (그림 1a 및 확장 데이터 그림 1a, d, e)의 단계와 유사했지만 게놈 전체 히스톤 변형 점유 및 전사체의 공간 공동 프로파일 링이 이루어졌습니다.