10x Genomics 단일 세포 다중 omics ATAC+ 유전자 발현 원리 및 응용

단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현은 10x Genomics가 출시한 단일 세포 다중 오믹스 솔루션으로, 동일한 세포의 유전자 발현 및 염색질 접근성 맵을 동시에 얻을 수 있습니다. 발달 궤적을 따라 최종 분화된 세포와 세포 유형을 더 잘 구별하기 위해 조절 요소, 개방 염색질 및 유전자 발현 간의 복잡한 상호 작용이 밝혀졌습니다.

1. 10x Genomics Single-cell Multi-omics ATAC+ 유전자 발현 기술의 원리

동일한 세포의 전사체와 후성유전체를 동시에 얻기 위해 10x Genomics Single -세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술은 먼저 Tn5 트랜스포사제를 사용하여 세포 핵 현탁액에서 핵 DNA를 전치합니다. Tn5 트랜스포사제는 개방형 염색질 영역에서 핵 DNA를 우선적으로 절단합니다. 그런 다음 Chromium 플랫폼은 단일 세포 유전자 발현(GEX) 및 ATAC 라이브러리 준비에 사용됩니다. 이 프로세스는 단일 세포 핵, 반응 시약 및 단일 겔 비드(Gel Bead)를 액적(GEM)으로 래핑합니다. 겔 비드는 또한 특정 바코드(10x 바코드)가 있는 폴리(dT) 서열, 고유 분자 식별자(UMI) 및 10x 바코드가 있는 스페이서 서열을 포함합니다. 폴리(dT) 서열은 폴리(dA) 꼬리를 캡처할 수 있습니다. mRNA는 유전자 발현(GEX) 라이브러리를 생성하는 데 사용되며, 스페이서 서열은 전치된 DNA 단편에 바코드를 추가하여 ATAC 라이브러리를 생성할 수 있습니다. 획득한 두 라이브러리를 시퀀싱하고 동일한 세포의 두 라이브러리에서 얻은 시퀀싱 데이터를 10x Barcode를 통해 일치시켜 동일한 세포의 전사체와 후성유전체의 동시 상관관계를 달성합니다.

2. 10x Genomics 단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술의 장점

1. 하나의 세포, 두 가지 해석

10x Genomics 단일 세포 다중 -omics ATAC+ 유전자 발현 기술은 시료를 최대한 활용하고 세포에서 전사체 및 후성유전체 정보를 모두 얻을 수 있어 제한된 시료에서 다층 통찰력을 극대화할 수 있습니다.

미국 스탠포드 의과대학은 10x Genomics 단일세포 다중오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술을 이용해 대장암 세포주 COLO320-DM(ecDNA에서 증폭된 종양유전자 MYC)과 COLO320-를 확보했다. 동일한 환자의 HSR(탠덤 염색체 증폭물(HSR)에서 증폭된 종양유전자 MYC)의 총 72,049개 세포에서 쌍을 이루는 전사체 및 염색질 접근성 맵을 얻었습니다. 단일 세포 ATAC-seq 및 단일 세포 RNA-seq 데이터의 세포 클러스터링은 COLO320-DM 및 COLO320-HSR 세포주의 독립적인 클러스터링을 보여줍니다. 염색체 HSR β MYC 증폭 COLO320-HSR과 비교하여 ecDNA β MYC 증폭 COLO320-DM에서는 RNA 발현 및 MYC 접근성 점수가 매우 이질적이어서 조절 요소의 다양한 활성이 종양 유전자 발현의 세포 차이를 설명할 수 있음을 시사합니다.

2. 두 개의 클러스터링 결과를 결합하여 세포 유형을 보다 정확하게 식별합니다.

10x Genomics 단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술은 두 세트의 전사체 및 후성유전체 데이터를 동시에 활용할 수 있습니다. 데이터에 대한 세포 클러스터링을 수행하여 복잡한 세포 집단의 세포 이질성을 더 잘 특성화하고 숨겨진 통찰력을 발견하십시오. 또한 후성유전적 특징은 유전자 발현 마커를 사용하여 더 쉽게 해석할 수 있습니다.

MIT 브로드 연구소와 하버드 대학교 연구진은 단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술을 사용하여 성체 쥐 피부의 34,774개 세포에서 고품질 후성유전체 및 전사체를 얻었습니다. 이 두 데이터를 분석한 결과, 서로 다른 계통의 세포 유형뿐만 아니라 αhigh CD 34+ 대 αlow CD 34+와 같이 밀접하게 관련된 유형의 세포도 구별할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. RNA 기반 세포 클러스터는 염색질 접근성 기능으로 구별할 수 있으며, 예를 들어 계통 결정 요인의 활동을 기반으로 하는 클러스터의 주석을 통해 전체 전사 활성화 인자 Dlx3 및 Sox9와 억제 인자 Zeb1 및 Sox5 등이 밝혀졌습니다.

일부 세포 상태는 염색질 또는 유전자 발현 시그니처를 통해 더 높은 분해능으로 식별할 수 있습니다. 예를 들어 클러스터링 시그니처를 기반으로 한 세포 클러스터의 그룹화는 모낭의 영구 부분과 재생 부분 사이의 염색질 접근성 차이를 더욱 뚜렷하게 나타냅니다. 반대로 과립층에 해당하는 세포는 더 쉽게 나타납니다. 유전자 발현 수준에서 별개의 클러스터로 구별됩니다.

3. 새로운 유전자 조절 효과를 발견하기 위한 전사체 및 후성유전체 상관관계

10x Genomics 단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술은 조절 요소를 유전자 발현과 결합할 수 있습니다. 세포 분화, 발달 및 질병을 유발합니다.

워싱턴대학교 연구진은 8주령 수컷 쥐의 신장 조직에 단일세포 다중오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술을 적용해 11,296개 세포의 전사체와 염색질 접근성 지도를 확보하고 연관성을 찾아냈다. 1,260개의 원격 사이트와 321개의 유전자 사이입니다. 사이트의 44%는 가장 가까운 TSS와 연결되었고, 21%는 두 번째로 가까운 TSS와 연결되었습니다. 가장 높은 상관 관계는 원위 세뇨관 세포 마커 유전자 Slc12a3과 TSS 하류의 36kb 사이트 사이에 있으며, 이 사이트의 접근성은 원위 세뇨관 세포에 약간 특이적입니다. 원위 cis-조절 요소와 해당 표적 유전자 사이의 연결은 다양한 세포 유형의 차등적 발현을 설명하는 데 유용합니다. 예를 들어, Slc6a 18(2형 근위세뇨관 S3 세포에 대한 마커 유전자)의 세포 유형별 발현은 세포 유형별 프로모터 접근성에 의해 반영되지 않으며 해당 TSS는 16kb 떨어진 사이트와 연관되어 있습니다. Slc6a18 발현과 상관관계가 있습니다.

3. 10x Genomics 단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현의 응용 분야

단일 오믹스의 한계로 인해 단일 세포 ATAC-seq 출현 직후 Sequencing 기술, Single-cell ATAC -seq와 Single-cell RNA-seq 기술을 동시에 적용하는 전략이 채택되었습니다. 현재 이 전략은 장기 발달, 질병, 암 메커니즘 연구 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며, 총 50편에 가까운 논문이 발표되었습니다. 단일세포 다중오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술을 직접 활용해 동일 세포의 전사체와 후성유전체를 분석하는 방법은 신생아 및 성체 마우스 대뇌피질, 덱사메타손 처리 폐암세포, 마우스 신장, 마우스 배아에도 적용됐다. 발달 단계의 전뇌 및 마우스 피부와 같은 조직. 2020년 12월에는 분자간 협동 종양유전자 발현을 유도하는 ecDNA 허브를 연구하기 위해 10x Genomics 단일 세포 ATAC+ 유전자 발현 기술을 사용한 첫 번째 연구도 보고되었습니다.

1. 사례: 단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현 분석을 통해 마우스 피부의 계통 결정 메커니즘이 밝혀졌습니다.

게시 날짜: 2020년 11월

게시자: Broad Institute of MIT, Harvard University 등

학술지 게재 : Cell

Impact Factor : 38.637

1) 연구 배경

세포 분화와 기능은 염색질 접근성의 변화를 통한 유전자 발현 조절을 포함하여 여러 수준의 유전자 조절에서 조절됩니다. 그러나 분화는 비동기식 과정이므로 세포 운명 결정으로 이어지는 규제 사건에 대한 현재의 이해를 방해합니다.

2) 재료 및 방법

단일 세포 다중 오믹스 ATAC+ 유전자 발현 기술(SHARE-seq), 마우스 피부, 폐 및 뇌 조직.

3) 연구 결과

a. 다중 오믹스 분석은 다양한 계통의 세포 유형을 식별할 수 있을 뿐만 아니라 밀접하게 관련된 유형의 세포도 식별할 수 있습니다. 염색질 접근성 시그니처로 구별되며 일부 세포 상태는 염색질 또는 유전자 발현 시그니처를 통해 더 높은 해상도로 식별될 수 있습니다.

b. 성체 쥐 피부에서 63,110개의 피크-유전자 연관이 확인되었으며, 몇몇 개별 피크는 4개 이상의 유전자와 연관되어 있습니다. 높은 피크 유전자 관련 조절 염색질 영역(DORC)은 슈퍼 인핸서와 겹칩니다.

c. DORC에는 교차 계통 결정을 위한 알려진 주요 조절 유전자가 강력하게 풍부합니다. DORC는 밀접하게 관련된 세포 집단 간에도 크게 다르며, 이는 DORC가 세포 유형에 매우 특이하다는 것을 나타냅니다.

d. 계통 시작과 일치하여 관련 유전자의 발현이 시작되기 전에 DORC에 접근할 수 있는 경우가 많습니다. 인핸서 활성화는 표적 유전자 발현을 예측하고 염색질 접근성을 계통 개시의 특징으로 암시한다는 가설이 오랫동안 제기되어 왔습니다.

e. 게놈 전반에 걸친 염색질 접근성의 변화는 계통 개시의 세포 상태를 반영하며, 염색질 잠재력은 특히 분화 기간 동안 RNA 속도보다 더 큰 시간 척도에서 미래의 세포 상태를 예측할 수 있습니다.

참고 자료:

1. King L. Hung, Kathryn E. Yost, Liangqi Xie 등 EcDNA 허브는 협력적인 분자간 종양 유전자 발현을 유도합니다.[J].bioRxiv, 2020.11 . 19.390278.

2. Ma Sai, Zhang Bing, LaFaveLindsay M et al. RNA 및 염색질의 공유 단일 세포 프로파일링으로 확인된 염색질 잠재력.[J] .Cell, 2020, 183: 1103-1116. e20.

3. Cao Junyue, Cusanovich DarrenA, Ramani Vijay et al. 수천 개의 단일 세포에서 염색질 접근성 및 유전자 발현에 대한 공동 프로파일링.[J] .Science, 2018, 361: 1380-1385.