2019年10月8日,美国圣地亚哥的Salk研究所的Geoffrey Wahl 团队在Cell Reports杂志上发表文章Single-Cell Chromatin Analysis of Mammary Gland Development Reveals Cell-State Transcriptional Regulators and Lineage Relationships,利用最前沿的单细胞染色质可接近性图谱揭示了正常乳腺发育过程中细胞状态特异性转录因子结合位点的变化动态和细胞谱系的关系。该团队希望通过了解乳腺正常发育过程中细胞状态转换的分子机理,在未来进一步理解乳腺癌细胞可塑性和异质性的分子机理。


单细胞染色质可接近性图谱揭示乳腺细胞谱系关系 助乳腺癌机理研究


在该研究中,作者们首次在染色质可接近性方面,观察到胚胎乳腺原基在胚胎发育晚期(E18)已经开始获得成年鼠分化乳腺细胞特异的染色质可接近性特征。而对于同阶段乳腺原基,Wahl实验室先前基于微流体(droplet-based)单细胞转录组方法并未检测到显著的分化特征。这在基因组表观遗传的分子层面,为乳腺细胞分化早在胚胎阶段已经开始发生提供了直接证据。作者们进一步通过转录因子结合位点在染色质可接近区域的富集程度,推测了转录因子在不同细胞的活跃性。作者们利用机器学习的方法预测了细胞谱系特异性的转录因子,其中包括多个已经实验验证的乳腺细胞转录因子。根据推测的每个细胞中转录因子的活跃性所构建的拟时间发育轨迹,高度吻合单细胞转录组数据。


文章中,作者还发现,相对于启动子,位于基因启动子远端的增强子可接近性数据包含更多细胞状态特异性信息。根据具有配对关系的基因和远端增强子在单一细胞中的共同可接近性,作者们预测小鼠乳腺发育过程中远端增强子的靶基因。预测的基因与远端增强子关系图谱将会为乳腺研究领域提供一项可贵的资源。结合细胞谱系特异性染色质可接近性信息和H3K27ac ChIP-seq 图谱,人们可以寻找自己感兴趣基因的增强子位置和细胞谱系特异性。作者还根据基因本身的可接近性和他所属的远端增强子的可接近性,预测了一万三千多个基因的可接近性。预测的基因可接近性数据高度与单细胞转录组数据吻合。作者认为该研究成果将会为乳腺相关研究中具体的分子机理研究设立实验假说提供方便的基础资源。


单细胞染色质可接近性图谱揭示乳腺细胞谱系关系 助乳腺癌机理研究


为了消除对生物信息数据分析的技术壁垒,文章的共同第一作者马志博博士和Chi-Yeh Chung博士利用R语言建立了网站应用。大家可以通过简单的鼠标点击,直接查看感兴趣基因,转录因子在不同细胞族群,拟时间发育轨迹上的活性预测。或者直接点击查看感兴趣基因的远端增强子位置。为了方便读者进一步直接比较,作者们在应用中加入了wahl实验室前期的单细胞转录组数据,流式分选细胞的转录组数据,以及流式分选细胞的染色质可接近性数据。


研究背景


乳腺癌是全世界妇女中最常见的癌症,大约每年两百多万女性受其困扰。根据WHO 估计,在所有的女性癌症者中,约15%的死亡与乳腺癌相关。乳腺癌中某些类型至今仍然没有有效治疗方案。乳腺癌中癌细胞的可塑性和组织的异质性是治疗失败的一大原因。不论是乳腺发育过程中的正常乳腺细胞,还是乳腺癌发展过程中的癌细胞,对于其细胞状态转换的分子机制,人们的了解目前仍然十分有限。目前人们对乳腺发育的了解,主要集中在出生后乳腺的发育。成熟的乳腺由两种主要类型的细胞构成:管腔细胞(luminal cells)和基底细胞(basal cells)。这两类细胞也是乳腺癌的细胞来源。在乳腺发育过程中,乳腺干细胞细胞何时最早开始分化,以及其分化的分子机理目前为止尚不十分明确。


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