在单细胞水平上对小鼠编目的细胞类型的基因组调节

科学家已经完成了一项重大工作，以单细胞分辨率绘制小鼠基因组的调控环境。该团队应用了他们之前开发的特殊检测方法，以分析称为染色质可及性的基因组特征。

研究人员对DNA缠绕，包裹和包装到所谓的染色质中的方式感兴趣，影响了每个细胞中可用的遗传信息。DNA就像一根绳子上的珠子。空间形成分子“珠子”移动的地方，以便蛋白质可以访问和“读取”遗传信息。该状态是染色质可及性。

在该研究中，测定了来自13只成年雄性小鼠组织的几十万个个体细胞。组织为：骨髓，大肠，心脏，肾脏，肝脏，肺，小肠，脾脏，睾丸，胸腺，整个脑和小脑以及大脑的前额叶皮质。

科学家们观察到了85种不同的染色质可及性模式，并且可以将其中的大多数分配给特定细胞类型。他们还编制了超过40万个潜在的监管要素。一般来说，研究人员能够识别具有相似染色质景观的细胞簇，然后检查该簇以选择不同的细胞类型。

他们说他们的数据质量是可变的，主要取决于组织类型。这些数据在睾丸中的精子祖细胞中质量最低，因为DNA在这些生殖细胞中的包装不同。

在该地图集中收集的数据可以促进对发育途径和细胞谱系形成的理解。例如，研究人员可以利用这一资源来了解染色质可及性如何变化，因为未成熟的造血细胞会变成具有特定作用的成熟血细胞。

研究人员表示，这种染色质可及性的单细胞图谱是世界各地实验室正在努力编制人类，小鼠和其他物种细胞类型综合图谱的一部分。Shendure，Trapnell和合作实验室已经为发展蠕虫和苍蝇制作了相关的地图集。

这些方法和研究结果于8月2日发表在Cell杂志上。

这项研究的资深作者是华盛顿大学医学院基因组科学系的Cole Trapnell和Jay Shendure，以及Paul G. Allen细胞谱系追踪发现中心和Brotman Baty Institute的成员。西雅图的精准医学。Shendure也是Howard Hughes医学研究所的调查员。

前博士后研究员Darren A. Cusanovich和研究生Andrew J. Hill都在Shendure实验室工作，领导了这项研究。Cusanovich及其同事开发了对该研究至关重要的单细胞组合分度测定方法。

“这种单细胞技术测量基因组在个体细胞中的组织方式以及基因是如何被调节的，”现在是亚利桑那大学助理教授的库萨诺维奇说。希尔指出，其他遗传学研究表明，大多数常见疾病的遗传变异都属于基因组非编码区，基因活动的管理起源于此。

“这些信号，”Shendure说，“有时候似乎处于中间地带。科学家们缺乏了解他们正在调控哪些基因的工具。这些数据有助于我们理解不同细胞类型的监管规则。”

“这样的研究提供了复杂生物如何能够拥有包含相同参考基因组的这种令人难以置信的多种细胞类型的观点，”希尔说。

Trapnell解释说，大多数先前的研究已经将基因组方法应用于由许多细胞类型组成的组织或样品。然而，对许多不同细胞类型进行平均可以模糊单个细胞类型中发生的情况。

“我们对单细胞水平的细胞基因组特性感兴趣，”他说。他补充说，该领域的大多数研究都是关于细胞中某些基因的表达是否开启，以及基因激活，调整或沉默的原因或方式不太常见。

研究人员使用他们的结果数据来确定基因组的哪些部分在不同细胞类型中“开放”以及这些元素调节哪些基因。然后，他们将这个地图集与人类全基因组关联研究的结果相交，这些研究揭示了可能存在疾病联系的遗传变异。

研究人员能够暗示在许多常见的人类疾病和特征中发挥作用的细胞类型，尽管细胞图谱数据来自老鼠，而不是人。

例如，阿尔茨海默病的遗传性并未在任何一类被称为神经元的脑细胞中富集，而是在小胶质细胞中最强烈地富集，后者可以保护神经系统。相比之下，双相情感障碍的遗传性最强的富集在兴奋性神经元中。

以这种方式检查的其他性状包括自身免疫病症，高脂质水平，免疫球蛋白缺乏，体型和组成，哮喘，花粉热，心脏病发作，痛风和许多其他病症或特征。

由UW Medicine研究人员于8月2日在Molecular Cell上发表的相关工作介绍了Cicero，一种以罗马演说家命名的算法。该算法有助于确定基因调控的语法。该方法利用单细胞染色质可及性数据，并将DNA中的调节元件与其靶向的基因联系起来。

该软件由Trapnell和Shendure实验室的研究生Hannah Pilner编写，确定了成千上万的调控元素如何在发育中的肌肉细胞中协调基因表达。

科学家们使用Cicero为小鼠图谱建立了每种细胞类型中调节元件之间潜在联系的图谱。希望这种映射将揭示基因组中数百万个调控DNA序列如何控制细胞如何发挥其特化功能。

人体细胞图谱的产生是一项艰巨的任务，因为体内存在大量细胞，以及许多不同类型的细胞被认为存在于个体的生命周期中。成年人平均含有大约37万亿个细胞，其类型，丰度和发育状况各不相同。

然而，这些论文中描述的进展可能有助于创建人类细胞图谱。研究人员指出，对于少数细胞类型而言，曾经需要大量劳动力才能在短短几个月内以单细胞分辨率完成。

与人类相比，家鼠被认为其体内仅有约100亿个细胞(约为人体的0.02%)。大约7500万年前，人类和老鼠与共同的祖先不同。

尽管自那时以来发生了遗传变化，但小鼠为人类健康和疾病提供了许多线索。由于进化关系，小鼠细胞图谱将有助于理解哺乳动物，包括人类，细胞类型是如何产生的。