改進的單細胞ATAC-seq方法擴大了對基因如何被控制的研究

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

什么是單細胞測序?

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

單細胞測序改變了這一研究領域，使科學家們能夠研究單個細胞中的基因，而不是大塊組織。在批量研究細胞時，該集合可能看起來是統(tǒng)一的，但實際上包含許多不同的細胞類型。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，但沒有提供準確的見解。

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

ATAC-SEQ

在這項研究中，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)進行測定)。每個人體細胞含有兩米長的DNA，緊密地包裹在微觀核中。ATAC-seq可識別DNA的哪些部分被解開并可被蛋白質(zhì)接近。

“這有點像打開一個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杰森布魯斯特羅的實驗室的博士后研究員Fabiana Duarte說。“如果可以獲得基因組的一部分，酶可以切割并標記它。然后我們找到所有標記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器。有無數(shù)的轉(zhuǎn)錄因子，每一個都識別并結(jié)合非常特異的DNA序列。該序列稱為motif，因為它非常具體，所以可以在ATAC-seq數(shù)據(jù)中標記。

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

擴大

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可以分析100個細胞的情況下，新方法描述了50,000個。

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

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

“我們與Bio-Rad團隊合作開發(fā)了這種方法，”Duarte說。“設備的一個通道提供一個細胞，另一個通道添加一個珠子 - 每個珠子都有一個條形碼標簽。在它們相遇的地方，有油 - 所以你會得到液滴。每個液滴都有一個細胞和一個珠子。你可以添加很多細胞進入設備以獲取單獨標記細胞的數(shù)據(jù)。“

但任何計算生物學家都會告訴你，魔鬼就在細節(jié)之中。

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

“由于實驗和計算方面的創(chuàng)新，我們現(xiàn)在可以獲得放入機器的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)成技術提供給所有領域的生物醫(yī)學研究人員，我為我們幫助它進入這一階段而感到自豪，”同時也是哈佛大學教員的布魯斯特羅特說。干細胞研究所。“在這項研究中，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記，使我們可以增加十倍或更多的細胞數(shù)量。它會改變您可以提出的問題，以及您能找到多快的速度答案 - 我認為我們現(xiàn)在看到研究的進展要快得多。“