單細胞表觀基因組學:記錄過去和預測未來

表觀遺傳學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，可以影響細胞讀取基因組的方式，進而影響其轉錄輸出。與DNA結合的轉錄因子可以創造或改變表觀遺傳狀態(例如，開放或關閉的染色質和高階染色質構象)，或者它們的結合對現有的表觀遺傳狀態很敏感。在表觀遺傳學中有一些關鍵的問題，只能通過在單個細胞中確定表觀基因組來解決。例如，與表觀遺傳異質性有關的細胞之間的轉錄異質性，在細胞改變其命運或功能時，在轉錄之前發生變化，或在表觀遺傳標記後發生變化，而表觀遺傳狀態能比轉錄組更好地識別出罕見的細胞群和過渡狀態嗎?單細胞表觀基因組學方法的最近發展開始使我們能夠解決這些基本問題。

由於表觀遺傳信息以多種形式存在於DNA的共價修飾、組蛋白的轉錄後修飾、染色質的可達性和壓實性，以及染色體域的高階構象，每一層信息都需要不同的生化方法來對其進行剖析。這對從單個細胞產生的信息的性質和質量，以及在多組應用中從同一單個細胞中組合多個措施的能力產生了影響。根據問題的類型，需要確定任何特定研究需要的深度或廣度(許多，許多細胞)。

目前的單細胞BS-seq (scBS-seq)的覆蓋率達到了40%，這意味著對大多數的位點來說，觀察到的序列只來自一個染色體拷貝。最新進展進行單細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胞在一個實驗中。

scBS-seq可以與scRNA-seq結合，通過分離細胞核，分離RNA和DNA，分離下游反應，或在分離和並行處理基因組DNA擴增和cDNA文庫準備(22 24)之前，將RNA和DNA在同一細胞裂解液中進行預擴增。BS-seq的覆蓋範圍足夠均勻，可以識別出染色體非整倍體或大型CNVs從區域變化的測序深度。

Hi-C數據以固定核內的結紮事件為基礎，測量三維空間中DNA序列的接近程度。為了提高數據的解析度和通量，可以引入各種優化方法。單細胞Hi-C利用單倍體細胞，允許對單個細胞中所有染色體的三維組織進行建模，揭示了在細胞周期中，球細胞數據是如何模糊染色體室的動態重組的。儘管最近取得了一些進展，但schic方法的解析度仍然不足以對特定啟動子與增強子之間的接觸進行詢問，這一方法有待於在與功能實驗相輔相成，例如表觀基因組編輯。

可以設想我們有計算工具來解開和想像細胞內部和細胞之間的不同分子層之間的聯繫。從這些進展中，我們預期在胚胎髮育(包括各種生物的比較)中解決許多問題。我們想知道細胞命運和譜系決定的任何錶觀遺傳學決定因素，以及它們對這些決定的時間和/或記憶。我們的目標是發現表觀遺傳學和遺傳異質性之間的聯繫，顯示錶觀遺傳變化(特別是在疾病中)是由DNA序列的潛在變化所驅動的，比如在癌症中複製數量變異、突變和重新安排，或者是自私自利的DNA元素的移動性。癌前細胞狀態可能在組織的早期階段被它們的單細胞表觀基因組信號檢測到，其他慢性疾病也可能顯示出獨特的進展特徵。單細胞表觀基因組分析可能只允許對少數細胞進行活檢，或者通過捕捉少量細胞遊離DNA進行循環。這樣的工具也可能揭示組織中細胞數量最大的再生和組織修復潛力。

參考文獻：

Kelsey, G., O. Stegle, and W.Reik, Single-cell epigenomics: Recordingthe past and predicting the future. Science, 2017. 358(6359): p. 69-75.