染色质的三维结构在发育和疾病中起着至关重要的作用，这两者都与转录变化有关。然而，由于单细胞染色质结构和转录的异质性，三维染色质结构与基因表达之间的调控关系难以基于大细胞群体来解释。

2023年8月14日，中山大学丁俊军、暨南大学范丽丽及四川大学曾筱茜共同通讯在 Nature Structural & Molecular Biology 在线发表题为“Simultaneous profiling of chromatin architecture and transcription in single cells”的研究论文，该研究发了一种单细胞、多模态、组学方法，允许通过测序(单细胞转录组测序(scCARE-seq))同时检测染色质结构和信使RNA表达。

应用scCARE-seq检测从2i到血清单个小鼠胚胎干细胞的染色质结构和转录，作者观察到与单细胞染色质构象捕获相比，细胞簇的分离得到了改善。此外，通过scCARE-seq提取染色质结构来确定每个细胞的细胞周期阶段后，发现在细胞周期中染色质结构的周期性变化与转录并行发生。这些发现突出了scCARE-seq促进全面分析的潜力，这可能会促进人们对同一单细胞中染色质结构和转录的理解。

染色质结构的动态折叠在真核生物中具有重要的生物学功能。在大尺度上，染色质被分为A区室和B区室，分别富含转录活性区和非转录活性区。然而，目前捕获三维(3D)染色质结构和转录的方法主要基于百万细胞方法。因此，每个细胞的特征被隐藏，细胞的异质性使得很难解释它们之间的关系。为了克服这一问题，以前的研究开发了许多单细胞单峰组学方法，包括单细胞染色质构象捕获(scHi-C) 和单细胞转录组测序(scRNA-seq)。尽管这些策略能够从未配对的单细胞中获取信息，但仍不可能探索同一单细胞中染色质结构与基因表达之间的调节关系。

最近，有两种方法将染色质结构和转录联系起来。首先是计算策略，它可以使用不同的模型和算法推断单细胞水平上三维染色质结构和表达之间的串扰。这些策略依赖于基于未配对细胞信息的模拟和相关性，这些信息无法与实际关系进行比较。其次，基于显微镜的方法可以直接揭示单个细胞中基因组和转录本的空间信息。然而，这些方法依赖于先进的光学设备，限制了它们的广泛应用。作为上述方法的补充技术，基于二代测序（NGS）的单细胞多组学是一种很有前途的方法，可以从同一单细胞中生成集成信息，并且不需要特殊设备，但研究仍然缺乏。

scCARE-seq工作流程，用于测量同一单细胞中的scHi-C和scRNA（图源自Nature Structural & Molecular Biology ）

该研究开发了一种基于NGS的方法，通过整合同一细胞中的Hi-C和细胞核RNA序列测定（RNA-seq），同时检测单细胞中的染色质结构和mRNA表达（scCARE-seq）。为了证明scCARE-seq的实用性，作者使用它来生成单个小鼠胚胎干细胞(mESCs)的染色质结构和转录的联合图谱，并研究它们在细胞命运转变和细胞周期中的相关性。与scHi-C相比，这种新方法提供了更好的细胞簇分离，并为染色质结构和基因表达在不同生物过程中的联系提供了更多的调控程序。综上所述，scCARE-seq是一种有效的单细胞三维染色质结构和转录联合分析方法，将为进一步了解胚胎发育、癌症和其他疾病提供帮助。此外，scCARE-seq还可用于鉴定来自不同组织的稀有细胞类型。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-023-01066-9