北京基因组所合作开发单细胞测序数据中细胞子群特异 DNA 甲基化鉴定新方法

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(A) CSM 位点在不同基因组特征区域上的富集分布;(B) 两两 CSM 位点的皮尔森相关系数热图,前五

共甲基化 CSM 模块按罗马数字序标注;颜色从绿到红表示相关系数从 - 1 到 1

胚胎干细胞(ESC)具有非常高的异质性,在胚胎干细胞群体中不同的子群具有不同的细胞状态,并在基因表达、转录因子调控及表观遗传修饰方面均表现出广泛的差异。异质的 DNA 甲基化在平衡 ESCs 自我更新和多分化潜能之间具有重要作用,因此细胞间 DNA 甲基化异质性的研究对于理解胚胎干细胞生物学问题十分重要。近年来,单细胞测序技术已经成为研究复杂组织中细胞间甲基化异质性的有力工具,但怎样分析并解释单细胞间的甲基化变异仍具有很大挑战。

中国科学院北京基因组所吕雪梅研究组与美国弗吉尼亚理工大学谢荷煌研究团队合作,利用小鼠胚胎干细胞得到的单细胞 DNA 甲基化测序数据,开发了一套生物信息分析流程,挖掘 ESCs 中的细胞子群特异 DNA 甲基化(CSM)。相关成果以“Integrative single-cell omics analyses reveal epigenetic heterogeneity in mouse embryonic stem cells”为题在线发表于 PLoS computational biology 杂志。

由于当前单细胞甲基化组数据具有覆盖细胞数少、测序乘数低以及 DNA 片段扩增偏好等缺陷,导致对等位基因特异甲基化(ASM)、非对称性甲基化(AM)在内的细胞内 DNA 甲基化异质性,和真正的 CSM 之间的区分能力十分受限。因此科研人员在过滤掉这些细胞内甲基化变异的干扰后,开发了新的统计模型,即“混合贝塔模型”以鉴定出真正的 CSM 位点。

该研究进一步整合了胚胎干细胞单细胞转录组数据、小鼠成体组织甲基化组数据和转录因子结合基序注释信息,对 CSM 的调控模式进行解读。结果发现 CSM 位点显著富集到 CGI shelf 区域,以及增强子和启动子偏好的组蛋白修饰区域;同时 CSM 定位到的基因在单细胞间表现出广泛的表达差异。进一步研究发现,CSM 位点可以被聚类成共甲基化的模块,这些 CSM 模块在不同成体组织中具有不同的甲基化水平分布,并且表现出模块特异的转录因子富集。该方法为单细胞甲基化组测序数据表观异质性的深度挖掘提供了方法学的创新,对于研究复杂细胞群体异质性具有重要指导意义。

该研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等基金及动物进化与遗传前沿交叉卓越中心的资助。

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