近期,加州大學圣地亞哥分校的鐘聲教授及其研究團隊在知名學術期刊《自然》上發(fā)表了一篇研究論文,他們成功開發(fā)了名為單細胞多核酸相互作用測序(multinucleic acid interaction mapping in single cells, MUSIC)的全新技術。這項技術填補了相關領域的空白,通過該技術能夠更深入地探索與大腦衰老緊密相關的染色質(zhì)特征,同時也為理解疾病在不同性別之間的差異提供了新的視角。
該研究論文所述,MUSIC的開發(fā)旨在實現(xiàn)對特定相互作用網(wǎng)絡的深入分析,其中包含了三個核心設計目標。首先,MUSIC通過創(chuàng)新成功地對細胞核內(nèi)的所有RNA和DNA片段進行了標記,從而可以精確地識別出源自同一細胞核的這些片段。其次,MUSIC巧妙地運用了不同的核苷酸序列,將它們與RNA和DNA分子相連接,從而能夠在測序文庫中明確區(qū)分出RNA和DNA的插入片段。最后,為了更全面地捕捉并識別DNA-DNA和RNA-DNA之間的關聯(lián),MUSIC為每個分子復合物都分配了獨特的復合條形碼。
基于這一系列的設計,MUSIC系統(tǒng)具備了在單細胞級別的精細分辨能力,從而可以深入解析復雜組織內(nèi)部染色質(zhì)間的相互作用、基因表達活動以及RNA與染色質(zhì)間的交互影響,實現(xiàn)了多維度的聯(lián)合分析。
在完成MUSIC的構建后,研究團隊將該工具應用于14位高齡捐贈者的額葉皮層樣本中。MUSIC不僅成功地描繪出了不同皮層細胞的類型及其狀態(tài),還為我們揭示了與疾病相關的染色質(zhì)構象特征。
在人類皮質(zhì)細胞中,染色質(zhì)接觸的頻率與其在染色質(zhì)上的距離有著緊密的聯(lián)系。為了更精準地捕捉這種頻率分布的異質(zhì)性,研究團隊運用了一個被稱為LCS-erosion的指標。當LCS-erosion值較高,即局部染色質(zhì)結構(LCS)的相互作用較為稀疏時,這些細胞展現(xiàn)出了更為“衰老”的轉(zhuǎn)錄組特征,并與阿爾茨海默病病理存在著關聯(lián)。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了染色質(zhì)構象與轉(zhuǎn)錄組年齡之間的相關性,還首次從單細胞層面深入理解了染色質(zhì)結構與衰老之間的復雜聯(lián)系。
順式表達定量性狀位點 (cis-eQTL),主要揭示了特定序列變異區(qū)域?qū)︵徑虮磉_產(chǎn)生的深遠影響。過往對于eQTL的研究,一直存在一個令人困惑的問題:為何cis-eQTL與目標基因的配對常常呈現(xiàn)出細胞類型的特異性?而最新的研究成果為我們提供了線索。研究揭示,當cis-eQTL與啟動子之間存在染色質(zhì)接觸時,這些細胞類型往往與cis-eQTL影響基因表達的細胞類型相吻合。這一重要發(fā)現(xiàn)提示我們,在未來的深入研究中,我們必須更加重視染色質(zhì)接觸中細胞類型差異所扮演的關鍵角色。
除此之外,MUSIC技術也為探索神經(jīng)系統(tǒng)疾病在兩性之間的差異提供了有力的證據(jù)。相比于男性,女性似乎更容易受到神經(jīng)退行性疾病和精神障礙的影響。例如,患有遲發(fā)性阿爾茨海默病的女性人數(shù)明顯多于男性,同時女性患抑郁癥和焦慮癥的風險也顯著較高。
通過MUSIC技術的分析,我們觀察到女性皮層在染色質(zhì)構象年齡方面展現(xiàn)出更少的“老化”神經(jīng)元,但更多的“老化”少突膠質(zhì)細胞,與男性皮層存在顯著差異。在小鼠實驗中,雌性小鼠的少突膠質(zhì)細胞表現(xiàn)出了更多與年齡相關的細胞死亡現(xiàn)象,而神經(jīng)元中則沒有這種現(xiàn)象。研究團隊推測,女性中“老化”少突膠質(zhì)細胞比例異常偏高,這可能是導致女性神經(jīng)退行性疾病和精神疾病風險較高的一個重要原因。
另外,XIST作為一種長鏈非編碼RNA,它具備抑制X染色體基因表達的能力。當XIST在X染色體上不斷累積時,便會導致女性體內(nèi)的一條X染色體陷入沉默狀態(tài)。這一過程被稱為“X染色體失活”,它在某種程度上平衡了男性和女性在X染色體基因表達水平上的差異。值得注意的是,X染色體的不完全失活現(xiàn)象被認為與女性神經(jīng)系統(tǒng)疾病易感性的增加存在關聯(lián)。
最新研究顯示,在女性皮質(zhì)神經(jīng)細胞里,XIST非編碼RNA與X染色體之間展現(xiàn)出顯著的相互作用異質(zhì)性。在特定細胞中,XIST與X染色體的交互作用出現(xiàn)減弱現(xiàn)象,這會使得活性與非活性X染色體在結構上的差異變得模糊,進而加劇了兩性在X染色體基因表達上的差異。這些單細胞水平的多模式數(shù)據(jù),為深入探究健康和疾病狀態(tài)下的性別差異提供了寶貴的資源。綜上所述,MUSIC技術已成為我們在細胞分辨率層面深入探索復雜組織內(nèi)染色質(zhì)結構與轉(zhuǎn)錄活動的強大工具。
論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07239-w