單細胞定序也能分析表觀遺傳調控,揭開早期胚胎細胞如何分化

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細胞中的遺傳訊息儲存在 DNA 中,一般情況下 DNA 會與組蛋白(histone)纏繞形成結構穩定的染色質,在要執行轉錄功能時,組蛋白則會鬆解開染色質複合物,讓 DNA 能夠成為基因表現的模板。

組蛋白也參與轉譯後修飾(post-translational modifications, PTMs)作用,也就是解開 DNA 後,再不改變 DNA 序列的前提下,吸引特定蛋白、催化 DNA 能轉錄出對應 RNA;例如人體中所有細胞帶有同樣 DNA,但心肌細胞、皮膚細胞的功能完全不同,就關係到基因調控機制。

近期由荷蘭 Hubrecht Institute 團隊提出一項新的單細胞定序工具,能同時觀察 DNA 包裹形成結構與基因活性關係,更深入解答組蛋白如何調控轉譯後修飾作用。研究結果發佈於《Molecular Cell》。

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單細胞定序揭開細胞間基因結構差異

單細胞定序技術可以針對單個細胞基因組、轉錄組等遺傳物質,進行高通量定序分析,由於具有可以反應不同細胞在基因結構、分子調控等方面的異質性,現在已被大量應用於疾病分析。不過在表觀遺傳領域,單細胞定序對於追蹤特定分子標記仍沒有發揮太大作用。

EpiDamID 可辨識轉譯後修飾的組蛋白位置 

研究團隊提出單細胞定序技術 EpiDamID,其技術基礎 DamID(DNA adenine methyltransferase identification)為一套可辨識 DNA 上腺嘌呤位點的工具組;腺嘌呤則是容易發生甲基化修飾的分子標記。為了進一步辨識單一細胞中轉錄後修飾位置,他們將既有 DamID 功能延伸,改良為可辨識執行轉譯後修飾的組蛋白的定序工具 EpiDamID,能夠觀察單一細胞 DNA 立體結構差異,以及與基因組轉錄的關聯性。

圖片來源/ Molecular Cell

該研究團隊已經成功將 EpiDamID 應用於活體定序,例如老鼠胚胎細胞中的 H3K27me3 組蛋白位點甲基化修飾相關機制。另外團隊也分析了斑馬魚早期胚胎發育,值得注意的是,他們取得斑馬魚脊索中難以取樣的特有染色質,透過少量樣本分析就定序出 H3K9me3 組蛋白修飾系統。

發育生物學有力分析工具

轉譯後修飾因為關係到細胞早期的分化調控,在發育生物學扮演極大作用。又因為胚胎的細胞組成量有限,因此過去難以進行取樣分析。 EpiDamID 能以少量細胞為定序單位,並結合上辨識組蛋白的修飾位點功能,不但從 DNA 結構上得知與基因表現的關聯,也讓單細胞定序的優勢成功應用於早期胚胎細胞研究。

延伸閱讀:結合 AI 人工智慧與 CRISPR 基因編輯技術,調控表觀遺傳學的基因表現!

參考資料:
1. Molecular Cell, 2022; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276522002180?via%3Dihub
2. https://www.hubrecht.eu/learning-from-the-single-cell/

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