scRNA-seq和scATAC-seq联合分析 摘要汇总

         通过分析单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，我们能很好地在基因表达水平层面对样本细胞进行簇（cluster）的分类，以及marker基因的注释。而分析单细胞转座酶可及染色质测序（scATAC-seq）测序数据可以在染色质层面进行细胞研究，是目前主流的单细胞水平染色质可及性测序解决方案。scATAC-seq可用于绘制细胞染色质开放区的单细胞图谱，是一种单细胞水平研究表观遗传学的有效手段。

         基因在发生转录之前，表观遗传调控会在染色体水平上调整结构，从而会影响基因的表达。因此，从生物体内整个基因表达的过程考虑，scATAC-seq和scRNA-seq这一对绝佳的CP组合可以完整的为科研人员打开基因从源头到表达的整个视野，为更好的研究各类生物学问题提供思路。

         因此，对于同一个生物样本，对其同时进行scRNA-seq与scATAC-seq，则可以整合不同测序实验得到的数据，从而得到更丰富的结果。今天为大家分享7篇scRNA-seq与scATAC-seq联合分析的研究报道。

1、scRNA-seq与scATAC-seq联合分析绘制胸腺iNKT细胞发育图谱并鉴定到其谱系转录因子Cbfβ

         与传统的αβT细胞不同，不变自然杀伤T（iNKT）细胞在胸腺中完成了向功能性iNKT1/2/17细胞的终极分化。然而，指导 iNKT 亚群分化的潜在分子程序仍不清楚。本文利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞转座酶可及染色质测序（scATAC-seq）分析了17000多个iNKT细胞的转录组和39000多个iNKT细胞在胸腺iNKT四个发育阶段的染色质可及状态，以确定它们的发育轨迹。研究发现了 iNKT 前体和不同 iNKT 亚群的新特征，并表明 iNKT2 和 iNKT17谱系转变可能早在 0 阶段（ST0）就通过两种不同的程序发生了，而 iNKT1谱系转变可能发生在 ST0 之后。iNKT1 和 iNKT2 细胞表现出广泛的表型和功能异质性，而 iNKT17 细胞则相对单一。 此外，还发现了一种新型转录因子Cbfβ，它在iNKT祖细胞谱系检查点中高表达，与其他已知的iNKT细胞发育转录因子Zbtb16和Egr2表现出相似的表达轨迹，可指导iNKT细胞的命运并驱动其效应表型分化。Cbfβ的条件缺失会阻碍早期iNKT细胞的发育，并导致iNKT1/2/17细胞分化的严重受损。总之，研究结果揭示了不同的iNKT发育程序及其细胞异质性，并发现了一种新型转录因子Cbfβ是早期iNKT细胞承诺的关键调控因子。

2、蝾螈脑区的scATAC-seq染色质可及性图谱

         蝾螈是研究再生、再生与发育过程之间的相互作用、比较基因组学和进化的绝佳模型。大脑是意识、学习、记忆和行为的物质基础，是蝾螈最复杂、最先进的器官。转录因子的调节是决定大脑内不同区域功能的关键因素。然而，目前还没有全面了解蝾螈脑区的基因调控网络。本文利用单细胞ATAC测序技术生成了来自嗅球、端脑、间脑、下丘脑和垂体以及后脑的81199个细胞的染色质可及性图谱。根据这些数据，确定了不同细胞类型特有的关键转录因子，并比较了不同脑区细胞类型的功能。本研究结果为全面分析基因调控程序奠定了基础，对今后研究蝾螈大脑的发育、再生和进化以及脊椎动物大脑中细胞类型多样性的机制具有重要价值。

3、scRNA-seq和scATAC-seq联合分析揭示ccRCC的转录和表观遗传调控特征

         透明细胞肾细胞癌（ccRCC）经常具有高度的肿瘤异质性。在单细胞水平上阐明ccRCC的染色质图谱可以加深对该疾病的功能状态和调控动态的理解。本文对19个ccRCC样本进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞转座酶可及染色质测序（scATAC-seq），并利用全外显子组测序来了解个体间的异质性。构建了ccRCC的单细胞转录组和染色质可及性图谱，以揭示ccRCC中不同肿瘤细胞亚型的调控特征。研究发现了两个促进ccRCC侵袭和迁移的长非编码RNA（RP11-661C8.2和CTB-164N12.1），并通过体外实验进行了验证。综上所述，本研究全面描述了ccRCC的基因表达和DNA调控图谱，为ccRCC的生物学和治疗提供了新的见解。

4、scRNA-seq和scATAC-seq联合分析揭示猪骨骼肌发育

         骨骼肌的发育是一个多步骤的过程，对这一过程的了解在广泛的领域和应用中至关重要，从其对人类社会的潜在医学价值，到其与改良农业动物相关的经济价值，不一而足。骨骼肌始于体节，在肌肉分化之前，肌肉前体细胞在真皮肌节和真皮肌节衍生的肌节中生成，这一发育调控过程在模式生物中具有良好的特征。然而，在农场动物（如猪）中，胚胎发育过程中骨骼肌本体的调控仍不十分明确。本文以单细胞分辨率分析了发育中的猪体节和肌节的基因表达和染色质可及性。结果： 确定了肌原细胞和其他细胞类型，并构建了猪骨骼肌本体发育的分化轨迹。沿着这一轨迹，基因表达和染色质可及性的动态变化与不同细胞类型特异性转录因子的活动相吻合。沿着分化轨迹上调的一些新基因在肌营养不良小鼠中的表达水平高于健康小鼠，这表明它们参与了肌的发生。对染色质可及性、基因表达数据和体外实验的综合分析发现，EGR1和RHOB是猪胚胎肌生成的关键调控因子。 总之，我们的研究结果增进了我们对猪胚胎肌肉发生过程中分子和细胞动态的了解，为进一步研究猪骨骼肌发育和人类肌肉疾病提供了优质资源。 

5、scATAC-seq揭示老年性黄斑变性视网膜驻留单核吞噬细胞重编程的核心转录因子

         老年性黄斑变性（nvAMD）的病理性新生血管是导致老年人失明的主要原因。虽然先天性免疫基因与AMD之间有很强的遗传关联，但基因组与表型组之间的关系却很低，这表明疾病的环境诱因起着至关重要的作用。据观察，肺炎衣原体等病原体的既往感染史或其他全身性炎症可能会导致晚年患上nvAMD 。我们利用一种先前感染过肺炎衣原体、暴露于内毒素和不同免疫细胞群基因消融的 nvAMD 小鼠模型证明，外周感染引起了表观遗传学重编程，导致视网膜 CX3CR1+ 单核吞噬细胞（MNPs）出现持续记忆状态。免疫印记在最初的炎症消退后持续了很长时间，并最终加剧了nvAMD模型中脉络膜新生血管的形成。scATAC-seq发现，活化转录因子3（ATF3）是外周炎症后视网膜驻留MNP重编程的核心介质。ATF3 将 MNP 极化为一种修复表型，偏向于产生促血管生成因子以应对后续损伤。因此，细菌内毒素诱导的炎症可导致中枢神经系统驻留的 MNPs 免疫重编程，并加重老化视网膜的病理性血管生成。

6、scRNA -seq和scATAC-seq联合分析主动脉压力应激和适应性程序

         当主动脉细胞受到压力（如血流动力学压力升高）时，它们会通过改变自身功能来适应环境，从而使主动脉保持其强度。为了了解这种适应性反应的调控，我们研究了主动脉平滑肌细胞（SMC）在对血管紧张素 II（Angiotensin II）输注的适应性反应过程中的转录组和表观组程序，并确定了其在防止主动脉瘤和夹层（AAD）方面的重要性。在 AngII 输注诱导的散发性 AAD 小鼠模型中进行了scRNA -seq和scATAC-seq。在野生型小鼠中，输注 AngII 增加了胸主动脉的内侧厚度。单细胞 RNA 测序分析显示，胸腔 SMC 存在适应性反应，其特点是基因上调，这些基因在伤口愈合、弹性蛋白和胶原蛋白生成、增殖、迁移、细胞骨架组织、细胞-基质灶粘附、PI3K-PKB/Akt（磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶 B/Akt）和 TGF-β（转化生长因子 beta）信号转导中发挥作用。ScATAC-seq分析显示，适应基因调控区域的染色质可及性增加，并发现机械传感器YAP/转录增强关联域是驱动这些基因（如Lox、Col5a2、Tgfb2）表达的首要候选转录复合物。在培养的人主动脉SMC中，循环拉伸激活了YAP，YAP直接与适应性基因调控区（如Lox）结合，并增加了它们的转录本丰度。小鼠 SMC 特异性 Yap 缺失损害了 SMC 的这种适应性反应，导致 AAD 发生率增加。结论：主动脉应激触发了胸主动脉 SMC 适应性反应（如伤口愈合、增殖、基质组织）的系统表观遗传诱导，这种反应依赖于功能性生物力学信号转导（如 YAP 信号转导）。研究强调了适应性反应在维持小鼠主动脉稳态和预防 AAD 方面的重要性。

7、scRNA-seq和scATAC-seq联合分析揭示肝类器官的异质性

         为更深入地了解器官组织的转录组和表观基因组，对两种状态（可扩展和更分化）的肝脏类器官组织进行scRNA-seq和scATAC-seq分析。已分化肝细胞的线粒体基因表达高于未分化肝细胞，ATAC-seq峰值在线粒体控制区附近增加。肝脏类器官组织的分化导致了作为增强子和抑制因子的转录因子的表达。此外，调节甲胎蛋白（AFP）和白蛋白（ALB）表达的表观遗传机制在肝脏类器官组织和成人肝脏中也有所不同。PDX1是胰腺发育过程中必不可少的转录因子，它的敲除通过调节AFP和ALB的表达导致肝脏类器官组织的肝成熟。这种在单细胞水平上对肝脏类器官组织转录组和表观基因组的综合分析有助于更好地理解肝脏发育过程中的调控网络，并有助于进一步开发成熟的体外人类肝脏模型。

参考文献：

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2、 Feng W, Liu S, Deng Q, Fu S, Yang Y, Dai X, Wang S, Wang Y, Liu Y, Lin X, Pan X, Hao S, Yuan Y, Gu Y, Zhang X, Li H, Liu L, Liu C, Fei JF, Wei X. A scATAC-seq atlas of chromatin accessibility in axolotl brain regions. Sci Data. 2023 Sep 14;10(1):627. doi: 10.1038/s41597-023-02533-0. PMID: 37709774; PMCID: PMC10502032.

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4、 Cai S, Hu B, Wang X, Liu T, Lin Z, Tong X, Xu R, Chen M, Duo T, Zhu Q, Liang Z, Li E, Chen Y, Li J, Liu X, Mo D. Integrative single-cell RNA-seq and ATAC-seq analysis of myogenic differentiation in pig. BMC Biol. 2023 Feb 1;21(1):19. doi: 10.1186/s12915-023-01519-z. PMID: 36726129; PMCID: PMC9893630.

5、 Hata M, Hata M, Andriessen EM, Juneau R, Pilon F, Crespo-Garcia S, Diaz-Marin R, Guber V, Binet F, Fournier F, Buscarlet M, Grou C, Calderon V, Heckel E, Melichar HJ, Joyal JS, Wilson AM, Sapieha P. Early-life peripheral infections reprogram retinal microglia and aggravate neovascular age-related macular degeneration in later life. J Clin Invest. 2023 Feb 15;133(4):e159757. doi: 10.1172/JCI159757. PMID: 36787231; PMCID: PMC9927938.

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