Science ：首次应用原位基因组测序在单细胞水平上了解基因组空间结构

来源：iNature

了解基因组的组织需要整合DNA序列和3D空间环境，但是，现有的全基因组方法缺乏碱基对序列解析或直接的空间定位。

2020年12月31日，哈佛大学，MIT及博德研究所多单位合作，Chen Fei，Edward S. Boyden及Jason D. Buenrostro共同通讯在Science 在线发表题为”In situ genome sequencing resolves DNA sequence and structure in intact biological samples“的研究论文，该研究描述了原位基因组测序（IGS），一种同时对完整的生物样品中的基因组进行测序和成像的方法。 

该研究将IGS应用于人类成纤维细胞和早期小鼠胚胎，在空间上将成千上万个基因组位点定位在单个核中。 使用这些数据，该研究表征了跨胚胎阶段的基因组结构中父母特异性的变化，揭示了受精卵中的单细胞染色质结构域，以及未发现的全局染色体定位在各个胚胎中的表观遗传记忆。 这些结果证明了原位基因组测序如何直接将序列和结构从单碱基对到整个生物的整个长度尺度连接起来。

生物的基因组不仅编码其基因，还编码调节基因表达并控制细胞功能的空间组织。因此，以高分辨率绘制空间基因组组织图对于理解其在健康，疾病和发育中的各种调节作用非常重要。基因组结构大部分是通过基于染色质接触的DNA测序的方法（Hi-C）和使用显微镜探测目标基因组位点的方法（例如DNA荧光原位杂交（FISH））来发现的。

应用于细胞群体的Hi-C揭示了全基因组范围内的组织原理，单细胞变异揭示了细胞间异质性。 DNA FISH同样以单细胞分辨率揭示了基因组结构。最近的研究表明，这些方法如何通过对单个细胞中的Hi-C定义的特征进行成像，表征其异质性以及验证推断出的细胞内和跨细胞类型的染色质构象差异而相互补充。

但是，这些方法目前不能共同应用于同一细胞，并且缺少在单个细胞中同时对基因组进行测序和成像的方法。将Hi-C与显微镜相结合的努力，或使FISH更像是通过单核苷酸多态性（SNP）特异性探针进行测序，虽然打破了重要的概念基础，但仍然受到局限成像或测序通量。因此，难以解决在单个细胞中需要基因组和空间分析的问题。

该研究描述了原位基因组测序（IGS），一种同时对完整的生物样品中的基因组进行测序和成像的方法。 该研究将IGS应用于人类成纤维细胞和早期小鼠胚胎，在空间上将成千上万个基因组位点定位在单个核中。 

使用这些数据，该研究表征了跨胚胎阶段的基因组结构中父母特异性的变化，揭示了受精卵中的单细胞染色质结构域，以及未发现的全局染色体定位在各个胚胎中的表观遗传记忆。 这些结果证明了原位基因组测序如何直接将序列和结构从单碱基对到整个生物的整个长度尺度连接起来。

参考消息：

DOI: 10.1126/science.aay3446