本研究由Chenxu Zhu、Yanxiao Zhang、Yang Eric Li、Jacinta Lucero、M. Margarita Behrens和Bing Ren等研究人员共同完成，主要来自Ludwig Institute for Cancer Research、The Salk Institute for Biological Studies以及University of California San Diego等机构。研究论文于2021年3月发表在《Nature Methods》期刊上。

学术背景

该研究属于表观遗传学和单细胞组学领域。在多细胞生物中，尽管每个细胞类型都包含相同的遗传物质，但表观基因组（包括DNA甲基化和组蛋白修饰）在不同细胞类型之间存在显著差异。传统的组蛋白修饰分析通常基于大量组织样本，缺乏单细胞分辨率，难以揭示细胞类型特异性的表观遗传状态。为了解决这一问题，研究人员开发了一种名为“paired-tag”的高通量方法，能够在单细胞水平上同时分析组蛋白修饰和转录组，从而生成复杂组织中细胞类型特异的染色质状态和转录组图谱。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 实验设计：研究团队首先设计了paired-tag方法，该方法基于先前报道的paired-seq技术，结合了CUT&Tag策略，能够在单细胞中同时分析基因表达和组蛋白修饰。为了验证该方法的有效性，研究人员在成年小鼠的前额叶皮层和海马体中应用了该方法，分析了五种组蛋白修饰（H3K4me1、H3K4me3、H3K27ac、H3K27me3和H3K9me3）和转录组。

2. 样本处理：研究人员从小鼠脑组织中分离出单细胞核，并通过抗体标记特定的组蛋白修饰。随后，进行tagmentation反应和逆转录反应，分别标记不同的样本或重复样本。通过组合条形码策略，将细胞核分为多个子文库，并进行测序。

3. 数据分析：研究人员对测序数据进行了详细分析，包括基因组比对、去除PCR重复、生成细胞计数矩阵等。通过Seurat包对单细胞转录组数据进行聚类，识别出22种小鼠脑细胞类型。同时，基于不同组蛋白修饰的DNA谱进行细胞聚类，并与转录组聚类结果进行比较。

4. 整合分析：研究人员整合了组蛋白修饰和基因表达数据，生成了每种脑细胞类型的全基因组组蛋白修饰图谱。通过k-means聚类，将基因启动子分为七类，分别具有不同的组蛋白修饰组合。此外，还对远端调控元件（cres）进行了分类，并分析了其与基因表达的关系。

主要结果

1. paired-tag方法的验证：研究人员在HELA细胞中验证了paired-tag方法，发现其组蛋白修饰谱与已发表的ChIP-seq数据集高度一致，基因表达水平也与核RNA-seq数据高度相关，表明paired-tag能够生成与大量细胞样本相匹配的染色质和转录组谱。

2. 小鼠脑组织的单细胞分析：研究人员在成年小鼠的前额叶皮层和海马体中应用paired-tag方法，生成了细胞类型特异的染色质状态和转录组图谱。通过整合分析，识别出22种脑细胞类型，并揭示了不同组蛋白修饰在细胞类型特异性基因表达调控中的作用。

3. 基因启动子和远端调控元件的分析：研究人员通过k-means聚类，将基因启动子分为七类，分别具有不同的组蛋白修饰组合。此外，还对远端调控元件进行了分类，并分析了其与基因表达的关系，揭示了不同组蛋白修饰在基因调控中的具体作用。

结论

该研究开发了一种高通量的单细胞组学方法paired-tag，能够在单细胞水平上同时分析组蛋白修饰和转录组，生成复杂组织中细胞类型特异的染色质状态和转录组图谱。通过在小鼠脑组织中的应用，研究人员揭示了不同组蛋白修饰在细胞类型特异性基因表达调控中的具体作用，为理解基因调控机制提供了新的视角。

研究亮点

1. 方法创新：paired-tag方法能够在单细胞水平上同时分析组蛋白修饰和转录组，填补了传统方法在单细胞分辨率上的不足。
2. 应用广泛：该方法不仅适用于小鼠脑组织，还可应用于其他复杂组织，具有广泛的应用前景。
3. 数据丰富：研究生成了22种小鼠脑细胞类型的全基因组组蛋白修饰图谱，为表观遗传学研究提供了宝贵的数据资源。

其他有价值的内容

研究人员还建立了一个在线门户网站（http://catlas.org/pairedtag），供用户交互式探索不同脑细胞类型的染色质状态，进一步促进了数据的共享和应用。

该研究在表观遗传学和单细胞组学领域具有重要意义，不仅开发了一种创新的实验方法，还提供了丰富的数据资源，为理解基因调控机制和细胞类型特异性表观遗传状态提供了新的视角。