表觀遺傳學(xué)將基因組與它的功能輸出連接起來，從DNA甲基化到組蛋白修飾，可以影響細(xì)胞讀取基因組的方式，進(jìn)而影響其轉(zhuǎn)錄輸出。與DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子可以創(chuàng)造或改變表觀遺傳狀態(tài)(例如，開放或關(guān)閉的染色質(zhì)和高階染色質(zhì)構(gòu)象)，或者它們的結(jié)合對現(xiàn)有的表觀遺傳狀態(tài)很敏感。在表觀遺傳學(xué)中有一些關(guān)鍵的問題，只能通過在單個細(xì)胞中確定表觀基因組來解決。例如，與表觀遺傳異質(zhì)性有關(guān)的細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性，在細(xì)胞改變其命運(yùn)或功能時，在轉(zhuǎn)錄之前發(fā)生變化，或在表觀遺傳標(biāo)記后發(fā)生變化，而表觀遺傳狀態(tài)能比轉(zhuǎn)錄組更好地識別出罕見的細(xì)胞群和過渡狀態(tài)嗎?單細(xì)胞表觀基因組學(xué)方法的最近發(fā)展開始使我們能夠解決這些基本問題。
由于表觀遺傳信息以多種形式存在于DNA的共價修飾、組蛋白的轉(zhuǎn)錄后修飾、染色質(zhì)的可達(dá)性和壓實性，以及染色體域的高階構(gòu)象，每一層信息都需要不同的生化方法來對其進(jìn)行剖析。這對從單個細(xì)胞產(chǎn)生的信息的性質(zhì)和質(zhì)量，以及在多組應(yīng)用中從同一單個細(xì)胞中組合多個措施的能力產(chǎn)生了影響。根據(jù)問題的類型，需要確定任何特定研究需要的深度或廣度(許多，許多細(xì)胞)。
目前的單細(xì)胞BS-seq (scBS-seq)的覆蓋率達(dá)到了40%，這意味著對大多數(shù)的位點(diǎn)來說，觀察到的序列只來自一個染色體拷貝。最新進(jìn)展進(jìn)行單細(xì)胞甲基化分析與組合索引可能減輕這些限制,同時提供可伸縮性成千上萬的細(xì)胞在一個實驗中。
scBS-seq可以與scRNA-seq結(jié)合，通過分離細(xì)胞核，分離RNA和DNA，分離下游反應(yīng)，或在分離和并行處理基因組DNA擴(kuò)增和cDNA文庫準(zhǔn)備(22 24)之前，將RNA和DNA在同一細(xì)胞裂解液中進(jìn)行預(yù)擴(kuò)增。BS-seq的覆蓋范圍足夠均勻，可以識別出染色體非整倍體或大型CNVs從區(qū)域變化的測序深度。
Hi-C數(shù)據(jù)以固定核內(nèi)的結(jié)扎事件為基礎(chǔ)，測量三維空間中DNA序列的接近程度。為了提高數(shù)據(jù)的分辨率和通量，可以引入各種優(yōu)化方法。單細(xì)胞Hi-C利用單倍體細(xì)胞，允許對單個細(xì)胞中所有染色體的三維組織進(jìn)行建模，揭示了在細(xì)胞周期中，球細(xì)胞數(shù)據(jù)是如何模糊染色體室的動態(tài)重組的。盡管最近取得了一些進(jìn)展，但schic方法的分辨率仍然不足以對特定啟動子與增強(qiáng)子之間的接觸進(jìn)行詢問，這一方法有待于在與功能實驗相輔相成，例如表觀基因組編輯。
可以設(shè)想我們有計算工具來解開和想象細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞之間的不同分子層之間的聯(lián)系。從這些進(jìn)展中，我們預(yù)期在胚胎發(fā)育(包括各種生物的比較)中解決許多問題。我們想知道細(xì)胞命運(yùn)和譜系決定的任何表觀遺傳學(xué)決定因素，以及它們對這些決定的時間和/或記憶。我們的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)和遺傳異質(zhì)性之間的聯(lián)系，顯示表觀遺傳變化(特別是在疾病中)是由DNA序列的潛在變化所驅(qū)動的，比如在癌癥中復(fù)制數(shù)量變異、突變和重新安排，或者是自私自利的DNA元素的移動性。癌前細(xì)胞狀態(tài)可能在組織的早期階段被它們的單細(xì)胞表觀基因組信號檢測到，其他慢性疾病也可能顯示出獨(dú)特的進(jìn)展特征。單細(xì)胞表觀基因組分析可能只允許對少數(shù)細(xì)胞進(jìn)行活檢，或者通過捕捉少量細(xì)胞游離DNA進(jìn)行循環(huán)。這樣的工具也可能揭示組織中細(xì)胞數(shù)量最大的再生和組織修復(fù)潛力。
參考文獻(xiàn)：
Kelsey, G., O. Stegle, and W.Reik, Single-cell epigenomics: Recordingthe past and predicting the future. Science, 2017. 358(6359): p. 69-75.
