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上海艾跃（Active Motif）生物科技有限公司
入驻年限：9 年
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Active Motif
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上海 闵行区
- 业务范围：
试剂、实验室仪器 / 设备、技术服务、抗体
- 经营模式：
生产厂商 经销商
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公司新闻/正文
单细胞多组学应用：绘制大脑皮层发育图谱
1205 人阅读发布时间：2022-05-27 11:06
单细胞技术近年来成为了热门技术之一，目前已经从基础研究逐步深入到了临床医学研究方向。
而单细胞技术的多组学应用可以在同一细胞样本中获取多方面的信息，使研究结果更为准确和可靠，因而单细胞多组学技术也受到了众多科研工作者的关注。
2021年8月斯坦福大学的William J. Greenleaf 团队利用单细胞多组学技术发表了题为“Chromatin and gene-regulatory dynamics of the developing human cerebral cortex at single-cell resolution”的文章。
此研究利用scATAC-Seq和scRNA-Seq的多组学技术，探究了大脑皮质发育过程的基因表达轨迹。
文章信息：
题目：Chromatin and gene-regulatory dynamics of the developing human cerebral cortex at single-cell resolution
刊登期刊：Cell
发表日期：2021.9.16
样本信息：PCW16, PCW20, PCW 21, PCW 24四个时期共13个样本（scATAC-seq）PCW16, PCW20, PCW 21, PCW 24 四个时期共8个样本 （scRNA-seq）PCW21 一个时期共三个样本 （Multiome ATAC + Gene Expression）
绘制大脑皮质发育单细胞染色质可及性和RNA表达谱
大脑皮质发育受遗传扰动可导致神经发育疾病，如自闭症（ASD）。
本研究利用单细胞技术，对不同post-conceptional week（PCW）的大脑皮质进行了单细胞分析，scATAC-Seq获得了31304个细胞，scRNA-Seq获得了57868个细胞。
由此绘制出单细胞开放基因组和基因表达图谱：
图一 人类大脑皮层的单细胞基因组图谱 利用marker gene 确定各细胞类型。
如：存在于皮质板的CTIP2+ 细胞，存在于脑室（VZ）、脑室下区（SVZ）和外脑室下区（oSVZ）的SOX9+细胞，等多种细胞。
在scATAC-Seq数据中，scRNA-Seq中的许多marker gene在对应的群组中都能找到对应的动态基因活性得分（dynamic gene activity score）。
虽然通过两组数据的比对，大多数聚类都包含所有发育时间点的细胞，但一些聚类在早期和后期中存在明显的偏差，如多能胶质祖细胞（mGPC），和tRG（truncated radial glia）。
为进一步证实细胞类型特征和妊娠时间的关系，研究者们将已公开的人类皮层scRNA-Seq数据集与本次研究中获得的数据进行了整合。
通过计算Jaccard对应值，并在本研究数据和计算匹配的独立注释中观测到相似的细胞类型、以及Cell-cycle phase 和妊娠时间之间的高度一致性。
利用多组学技术验证CRE-基因互作关系
进一步，研究者通过CCA将获得的scATAC-Seq数据衍生的基因活性分数和scRNA-Seq数据衍生的基因表达水平进行拟合映射。
匹配细胞的注释一致，除了scRNA-Seq中的循环祖细胞，它并没有成功映射到scATAC-Seq数据中。
研究者将远端的CRE（cis-regulatory elements）可及性与基因表达联系起来，确定了增强子-基因相互作用的64878个CRE基因对。
CRE可及性和基因表达的Co-variation区分了scRNA-Seq和scATAC-Seq中确定的细胞类型。
图二 热图显示64,878个显著关联的CRE-基因对的染色质可及性和基因表达情况
通过分析发现了神经胶质细胞群体见的高度可变性，证实了Cluster内的差异性，表明GluN Cluster间基因调控的动态模式。
通过进一步分析，确定了那些表达可以从局部单一染色质可及性中得到很好预判的基因。
相关性最高的基因包括SOX2和HES1，这些基因与更多的潜在增强子有关。
研究者们推测这些基因在发育中的大脑皮层中对建立细胞特性方面起着驱动作用。
这些基因对转录调控的活性和DNA结合的TF活性有强烈的富集作用。
为了验证这些猜测，研究者们利用了单细胞多组学手段（Multiome），分析了PCW21时期的人类皮层细胞，从同一细胞内获得了转录组和基因组的数据。
研究者们共得到8981个高质量的细胞数据。并结合前期的工作对每一个细胞类型进行了注释。
图三 PCW21时期的多组学图谱
在这个数据中，大多数推断的CRE-基因相互作用关系被检测到，且发现多组学的数据和前期的单细胞数据中GPC活性表达相关性具有很强的一致性。
皮质发育过程中神经元的动态图谱
后续，研究者们还在各细胞类型内进行了深入探讨。
通过拟时序分析，比较从早期妊娠时间点（PCW16）到后期时间点（PCW20 – PCW24）迁移神经元的表达水平时，研究者观测到LIMCH1，RUNX1，SNCB和DOK5的表达明显增加，AP-1家族转录因子（FOS，JUN），HSPA1A/B，以及DUSP1的表达明显减少。
总的来说，本研究发现以前牵涉到神经发生的不同表达的基因少得惊人，一系列结果表明相比于妊娠时间，基因表达和调节性变异跟可能与拟时序相关。
为了将表达轨迹和上游的调控元件的可及性联系起来，本研究将scRNA-seq数据中得到的拟时间值转移映射到ATAC-seq数据集中的细胞，证实了染色质中的动态连续性。
并基于CRE-基因相关性，将谷氨酸能神经元谱系分为了五个module，分别与拟时间值对应。
图四 显著联系的CRE-基因对的染色质可及性和基因表达情况
在这五个module中，编码转录因子和DNA结合蛋白的基因富集度非常高。
研究者为了找到可能控制这些过程的转录因子，确定了在不同连锁调控簇中的富集motif。
轨迹早期相互作用丰富的motif包括ZNF740，KLF16等，相反在中期和晚期相关的相互作用簇则是与神经元转录因子（NEUROD1/2、NEUROG1、MEF2C）的motif相关。
通过这样的分析，研究者们绘制出了皮层发育过程的基因调控motif和下游基因的动态图谱。
这些结果表明，在神经发生早期，TF motif的协调程度较高，并且由一小部分独立性高的TF调节。
在后续的研究中，还对星形胶质细胞的调控发育过程进行了探讨。
并且研究者们利用获得的基因可及性和基因表达连续图谱对ASD中的非编码新生突变进行了解释。
本研究主要利用scRNA-Seq和scATAC-Seq对人类大脑皮质发育过程进行了细胞层面的基因图谱绘制。
将基因可及性和基因表达动态联系起来，揭示了皮层细胞发育过程的调节机制，不同的转录因子调控是神经发生和胶质发生的基础。
利用神经网络对自闭症谱系障碍中的非编码新生突变进行了研究，进一步为单细胞技术在疾病研究中的应用提出了有利的设想。
本文还提到，尽管这些数据跨越妊娠中期8周，但在早期和晚期进行分析将有助于进一步研究胶质细胞生成和神经元成熟。
单细胞多组学技术的优势
文中通过scATAC-Seq和scRNA-Seq组学的整合来获得多组数据，并以此推断细胞间的谱系关系，验证了许多关键推断。
充分利用单细胞多组学来获得信息，能够更加深入地了解细胞之间的谱系关系。
因此，可以尝试Active Motif近期推出的单细胞多组学技术服务，助力大家更充分地了解单细胞的基因表达谱和染色质状态，有助于确定表观遗传变化如何指导不同细胞群的基因表达。
单细胞多组学技术可用于识别复杂样本中具有不同转录组和表观遗传图谱的细胞亚群，不需要使用诸如FACS或磁力分选等分离方法，避免了因这些分离操作可能导致样本的生物性能的改变。
了解更多关于Active Motif的单细胞多组学技术服务：
https://www.activemotif.com/catalog/1355/single-cell-multiome-service
而单细胞技术的多组学应用可以在同一细胞样本中获取多方面的信息，使研究结果更为准确和可靠，因而单细胞多组学技术也受到了众多科研工作者的关注。
2021年8月斯坦福大学的William J. Greenleaf 团队利用单细胞多组学技术发表了题为“Chromatin and gene-regulatory dynamics of the developing human cerebral cortex at single-cell resolution”的文章。
此研究利用scATAC-Seq和scRNA-Seq的多组学技术，探究了大脑皮质发育过程的基因表达轨迹。
文章信息：
题目：Chromatin and gene-regulatory dynamics of the developing human cerebral cortex at single-cell resolution
刊登期刊：Cell
发表日期：2021.9.16
样本信息：PCW16, PCW20, PCW 21, PCW 24四个时期共13个样本（scATAC-seq）PCW16, PCW20, PCW 21, PCW 24 四个时期共8个样本 （scRNA-seq）PCW21 一个时期共三个样本 （Multiome ATAC + Gene Expression）
绘制大脑皮质发育单细胞染色质可及性和RNA表达谱
大脑皮质发育受遗传扰动可导致神经发育疾病，如自闭症（ASD）。
本研究利用单细胞技术，对不同post-conceptional week（PCW）的大脑皮质进行了单细胞分析，scATAC-Seq获得了31304个细胞，scRNA-Seq获得了57868个细胞。
由此绘制出单细胞开放基因组和基因表达图谱：
图一 人类大脑皮层的单细胞基因组图谱 利用marker gene 确定各细胞类型。
如：存在于皮质板的CTIP2+ 细胞，存在于脑室（VZ）、脑室下区（SVZ）和外脑室下区（oSVZ）的SOX9+细胞，等多种细胞。
在scATAC-Seq数据中，scRNA-Seq中的许多marker gene在对应的群组中都能找到对应的动态基因活性得分（dynamic gene activity score）。
虽然通过两组数据的比对，大多数聚类都包含所有发育时间点的细胞，但一些聚类在早期和后期中存在明显的偏差，如多能胶质祖细胞（mGPC），和tRG（truncated radial glia）。
为进一步证实细胞类型特征和妊娠时间的关系，研究者们将已公开的人类皮层scRNA-Seq数据集与本次研究中获得的数据进行了整合。
通过计算Jaccard对应值，并在本研究数据和计算匹配的独立注释中观测到相似的细胞类型、以及Cell-cycle phase 和妊娠时间之间的高度一致性。
利用多组学技术验证CRE-基因互作关系
进一步，研究者通过CCA将获得的scATAC-Seq数据衍生的基因活性分数和scRNA-Seq数据衍生的基因表达水平进行拟合映射。
匹配细胞的注释一致，除了scRNA-Seq中的循环祖细胞，它并没有成功映射到scATAC-Seq数据中。
研究者将远端的CRE（cis-regulatory elements）可及性与基因表达联系起来，确定了增强子-基因相互作用的64878个CRE基因对。
CRE可及性和基因表达的Co-variation区分了scRNA-Seq和scATAC-Seq中确定的细胞类型。
图二 热图显示64,878个显著关联的CRE-基因对的染色质可及性和基因表达情况
通过分析发现了神经胶质细胞群体见的高度可变性，证实了Cluster内的差异性，表明GluN Cluster间基因调控的动态模式。
通过进一步分析，确定了那些表达可以从局部单一染色质可及性中得到很好预判的基因。
相关性最高的基因包括SOX2和HES1，这些基因与更多的潜在增强子有关。
研究者们推测这些基因在发育中的大脑皮层中对建立细胞特性方面起着驱动作用。
这些基因对转录调控的活性和DNA结合的TF活性有强烈的富集作用。
为了验证这些猜测，研究者们利用了单细胞多组学手段（Multiome），分析了PCW21时期的人类皮层细胞，从同一细胞内获得了转录组和基因组的数据。
研究者们共得到8981个高质量的细胞数据。并结合前期的工作对每一个细胞类型进行了注释。
图三 PCW21时期的多组学图谱
在这个数据中，大多数推断的CRE-基因相互作用关系被检测到，且发现多组学的数据和前期的单细胞数据中GPC活性表达相关性具有很强的一致性。
皮质发育过程中神经元的动态图谱
后续，研究者们还在各细胞类型内进行了深入探讨。
通过拟时序分析，比较从早期妊娠时间点（PCW16）到后期时间点（PCW20 – PCW24）迁移神经元的表达水平时，研究者观测到LIMCH1，RUNX1，SNCB和DOK5的表达明显增加，AP-1家族转录因子（FOS，JUN），HSPA1A/B，以及DUSP1的表达明显减少。
总的来说，本研究发现以前牵涉到神经发生的不同表达的基因少得惊人，一系列结果表明相比于妊娠时间，基因表达和调节性变异跟可能与拟时序相关。
为了将表达轨迹和上游的调控元件的可及性联系起来，本研究将scRNA-seq数据中得到的拟时间值转移映射到ATAC-seq数据集中的细胞，证实了染色质中的动态连续性。
并基于CRE-基因相关性，将谷氨酸能神经元谱系分为了五个module，分别与拟时间值对应。
图四 显著联系的CRE-基因对的染色质可及性和基因表达情况
在这五个module中，编码转录因子和DNA结合蛋白的基因富集度非常高。
研究者为了找到可能控制这些过程的转录因子，确定了在不同连锁调控簇中的富集motif。
轨迹早期相互作用丰富的motif包括ZNF740，KLF16等，相反在中期和晚期相关的相互作用簇则是与神经元转录因子（NEUROD1/2、NEUROG1、MEF2C）的motif相关。
通过这样的分析，研究者们绘制出了皮层发育过程的基因调控motif和下游基因的动态图谱。
这些结果表明，在神经发生早期，TF motif的协调程度较高，并且由一小部分独立性高的TF调节。
在后续的研究中，还对星形胶质细胞的调控发育过程进行了探讨。
并且研究者们利用获得的基因可及性和基因表达连续图谱对ASD中的非编码新生突变进行了解释。
本研究主要利用scRNA-Seq和scATAC-Seq对人类大脑皮质发育过程进行了细胞层面的基因图谱绘制。
将基因可及性和基因表达动态联系起来，揭示了皮层细胞发育过程的调节机制，不同的转录因子调控是神经发生和胶质发生的基础。
利用神经网络对自闭症谱系障碍中的非编码新生突变进行了研究，进一步为单细胞技术在疾病研究中的应用提出了有利的设想。
本文还提到，尽管这些数据跨越妊娠中期8周，但在早期和晚期进行分析将有助于进一步研究胶质细胞生成和神经元成熟。
单细胞多组学技术的优势
文中通过scATAC-Seq和scRNA-Seq组学的整合来获得多组数据，并以此推断细胞间的谱系关系，验证了许多关键推断。
充分利用单细胞多组学来获得信息，能够更加深入地了解细胞之间的谱系关系。
因此，可以尝试Active Motif近期推出的单细胞多组学技术服务，助力大家更充分地了解单细胞的基因表达谱和染色质状态，有助于确定表观遗传变化如何指导不同细胞群的基因表达。
单细胞多组学技术可用于识别复杂样本中具有不同转录组和表观遗传图谱的细胞亚群，不需要使用诸如FACS或磁力分选等分离方法，避免了因这些分离操作可能导致样本的生物性能的改变。
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https://www.activemotif.com/catalog/1355/single-cell-multiome-service