改進(jìn)的單細(xì)胞ATAC-seq方法擴(kuò)大了對基因如何被控制的研究

哈佛大學(xué)的科學(xué)家與Bio-Rad實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，開發(fā)了一種快速單細(xì)胞測序的新平臺(tái)。該方法結(jié)合了微流體和新型軟件來擴(kuò)大單細(xì)胞ATAC-seq，該細(xì)胞識(shí)別基因組的部分區(qū)域，這些基因組是開放的，可供調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)使用。

什么是單細(xì)胞測序?

我們都是從單個(gè)細(xì)胞開始，但很快變成了數(shù)萬億。第一個(gè)細(xì)胞中的基因組被復(fù)制到所有其他細(xì)胞中 - 那么我們?nèi)绾巫罱K得到這么多不同的細(xì)胞類型呢?多年來，科學(xué)家們一直試圖弄清楚基因在不同細(xì)胞中的發(fā)育過程中是如何開啟和關(guān)閉的，因此細(xì)胞可以發(fā)揮特定的功能。

單細(xì)胞測序改變了這一研究領(lǐng)域，使科學(xué)家們能夠研究單個(gè)細(xì)胞中的基因，而不是大塊組織。在批量研究細(xì)胞時(shí)，該集合可能看起來是統(tǒng)一的，但實(shí)際上包含許多不同的細(xì)胞類型。因此，結(jié)果代表平均值。他們指出研究人員的方向很有前景，但沒有提供準(zhǔn)確的見解。

通過允許研究人員一次只檢查一個(gè)細(xì)胞，單細(xì)胞測序正在重新定義解剖結(jié)構(gòu)。它篩選出表面上看起來相似的細(xì)胞，突出了新的細(xì)胞類型，極大地提高了尋找能夠驅(qū)動(dòng)身體健康功能或疾病過程的單個(gè)基因的能力。

ATAC-SEQ

在這項(xiàng)研究中，研究人員專注于一種稱為ATAC-seq的測序(使用測序?qū)D(zhuǎn)座酶 - 可及的染色質(zhì)進(jìn)行測定)。每個(gè)人體細(xì)胞含有兩米長的DNA，緊密地包裹在微觀核中。ATAC-seq可識(shí)別DNA的哪些部分被解開并可被蛋白質(zhì)接近。

“這有點(diǎn)像打開一個(gè)多維的行李箱去拿衣服，”該研究的聯(lián)合主要作者和哈佛大學(xué)杰森布魯斯特羅的實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Fabiana Duarte說。“如果可以獲得基因組的一部分，酶可以切割并標(biāo)記它。然后我們找到所有標(biāo)記DNA的序列。”

基因受許多不同的蛋白質(zhì)控制。例如，轉(zhuǎn)錄因子與一片DNA結(jié)合并帶來讀取它的機(jī)器。有無數(shù)的轉(zhuǎn)錄因子，每一個(gè)都識(shí)別并結(jié)合非常特異的DNA序列。該序列稱為motif，因?yàn)樗浅＞唧w，所以可以在ATAC-seq數(shù)據(jù)中標(biāo)記。

自Buenrostro及其同事于2013年首次開發(fā)ATAC-seq以來，該領(lǐng)域發(fā)展迅速。該技術(shù)無處不在地用于基因組學(xué)界，例如人類細(xì)胞圖譜項(xiàng)目，用于理解和繪制基因組功能。但是復(fù)雜的過程耗時(shí)且效率低，只有一小部分細(xì)胞產(chǎn)生可靠的結(jié)果。

擴(kuò)大

本研究中開發(fā)的新方法使ATAC-seq更有效。在先前的方法使得每次反應(yīng)可以分析100個(gè)細(xì)胞的情況下，新方法描述了50,000個(gè)。

“我們已經(jīng)對它進(jìn)行了擴(kuò)展，因此我們可以直接在人體組織中分析許多細(xì)胞。方法很簡單，因此您可以在一天內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，從頭到尾。這將使研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)更多目標(biāo)。哈佛大學(xué)干細(xì)胞和再生生物學(xué)系的助理教授布魯斯羅斯特說，這個(gè)時(shí)間要短得多。

單細(xì)胞測序中最大的挑戰(zhàn)之一是分離待研究的細(xì)胞。新方法使用微流體和液滴解決了這個(gè)問題。

“我們與Bio-Rad團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了這種方法，”Duarte說。“設(shè)備的一個(gè)通道提供一個(gè)細(xì)胞，另一個(gè)通道添加一個(gè)珠子 - 每個(gè)珠子都有一個(gè)條形碼標(biāo)簽。在它們相遇的地方，有油 - 所以你會(huì)得到液滴。每個(gè)液滴都有一個(gè)細(xì)胞和一個(gè)珠子。你可以添加很多細(xì)胞進(jìn)入設(shè)備以獲取單獨(dú)標(biāo)記細(xì)胞的數(shù)據(jù)。“

但任何計(jì)算生物學(xué)家都會(huì)告訴你，魔鬼就在細(xì)節(jié)之中。

“理想情況下，每個(gè)液滴中都有一個(gè)珠子。但實(shí)際上，為了確保每個(gè)細(xì)胞都被貼上標(biāo)簽，液滴最終可能會(huì)有一個(gè)以上的珠子，”布魯斯特羅的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主編兼研究生Caleb Lareau說。 。“我們的新軟件可識(shí)別這些情況并將它們合并，因此您可以識(shí)別最初可能看起來很多的單個(gè)細(xì)胞。”

“由于實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方面的創(chuàng)新，我們現(xiàn)在可以獲得放入機(jī)器的95%電池的配置文件。大約20%到30% - 就像白天和黑夜一樣，”Lareau說。

加快研究

“這種液滴方法將作為現(xiàn)成技術(shù)提供給所有領(lǐng)域的生物醫(yī)學(xué)研究人員，我為我們幫助它進(jìn)入這一階段而感到自豪，”同時(shí)也是哈佛大學(xué)教員的布魯斯特羅特說。干細(xì)胞研究所。“在這項(xiàng)研究中，我們還在方法中開發(fā)了一種方法：條形碼添加了另一層標(biāo)記，使我們可以增加十倍或更多的細(xì)胞數(shù)量。它會(huì)改變您可以提出的問題，以及您能找到多快的速度答案 - 我認(rèn)為我們現(xiàn)在看到研究的進(jìn)展要快得多。“