染色质状态决定基因组功能，并以细胞类型特异性的方式受到调控。虽然单细胞测序能够分析单细胞中的表观基因组，但整合组织中单个细胞的空间信息仍然具有挑战性。近年来，空间转录组学在绘制基因表达图谱方面取得了进展，已成为了组织样本基因表达和组学分析的一大利器。通过高空间分辨率分析控制基因表达和组织发育的潜在表观遗传机制成为空间组学领域的研究热点。
近日，耶鲁大学樊荣教授研究团队开发了一种全新空间组学技术：Spatial-CUT&Tag，用于在冷冻组织切片上逐像素进行组蛋白修饰的全基因组分析，且无需解离处理。Spatial-CUT&Tag技术可在空间和全基因组水平分析组织发育的表观遗传机制，实现与发育和疾病相关的表观遗传调节的空间映射，为空间组学增加了一个新维度。研究团队利用space-CUT&Tag技术解决了小鼠胚胎器官发育和出生后脑发育中不同空间和细胞类型特异性的染色质修饰。该研究结果发表在Science上，文章题为“Spatial-CUT&Tag: Spatially resolved chromatin modification profiling at the cellular level”。
据文章介绍，Space-CUT&Tag技术可实现全基因组尺度的空间组蛋白修饰分析。首先在固定的组织切片上加入针对组蛋白修饰的抗体，通过二抗结合增强pA-Tn5转座子的栓系作用。激活转座子后，包含一个连接子的适配器被插入到组蛋白标记抗体识别位点的基因组DNA中。将两组DNA条形码先后递送到组织表面，实现空间二位编码。组织切片在完场二位编码后成像，以关联组织形态与空间表观基因组图，最后收集DNA片段完成文库构建。（图1）
图1.Spatial-CUT&Tag的设计。
为了对Space-CUT&Tag进行基准测试，研究团队将特定于器官的ChIP-seq数据（ENCODE数据库）与研究数据进行对比(图2)。总的来说，Space-CUT&Tag数据与ChIP-seq数据匹配良好。为了识别小鼠胚胎发育过程中的空间模式，研究团队将scRNA-seq数据与Spatial-CUT&Tag数据结合，发现空间组织像素与单细胞转录组数据相符，表明两者数据质量达到相同水平。Space-CUT&Tag检测了细胞类型特异性标记基因，并成功分辨出小鼠胚胎各个器官。
分析显示，Spatial-CUT&Tag成功检测到多种器官特异性细胞类型，包括红细胞系仅富集在肝脏中；心肌细胞类型仅在心脏区域可见；软骨细胞和成骨细胞广泛存在于胚胎面部突起。
研究团队在同一组织切片中将Spatial-CUT&Tag与免疫荧光染色技术结合(图3)，核DNA染色后对H3K27me3进行Spatial-CUT&Tag，像素大小为20微米，区分了主要细胞类型，包括肾小球（C1）和颗粒（C2）层，并通过原位杂交验证了H3K27me3修饰的空间模式。首次证明可以在组织样品里原位获得单细胞表观遗传组测序数据。通过对细胞核进行DAPI染色，研究人员可以选择感兴趣的像素，例如包含单个细胞核的像素或显示特定组蛋白修饰的像素，提取单细胞表观基因组数据，而无需组织解离。
图3.免疫荧光染色小鼠组织切片的空间映射。
研究团队将Spatial-CUT&Tag（20μm像素）应用于P21小鼠大脑样本，无监督聚类结果显示出明显的空间特征(图4)。研究人员分析了特定标记基因的空间模式，以区分细胞类型，并将其与单细胞转录组图谱中的基因表达模式进行比较。虽然Polycomb在胚胎期皮层层的建立中发挥作用，研究数据表明H3K27me3也参与了产后大脑皮层控制或维持大脑皮质层的形成。为了研究活性标记和抑制性标记之间的相互作用，研究人员识别了所有H3K4me3标记的细胞簇特有的活性启动子，并绘制了H3K4me3和H3K27me3的信号。当启动子在细胞簇H3K4me3中富集时，H3K27me3信号被耗尽。
综上所述，该研究通过结合原位CUT&Tag化学、微流控DNA条形码和NGS技术，开发了Spatial-CUT&Tag技术用于空间解析组蛋白修饰的全基因组图谱。研究团队利用Spatial-CUT&Tag解析了小鼠胚胎中染色质修饰状态，揭示了空间维度的组织类型特异性表观遗传调控；同时揭示了小鼠大脑皮层发育的表观遗传控制和由组蛋白修饰决定的细胞类型空间模式。组织空间染色质修饰解析可为表观遗传调控研究提供新的思路。Spatial-CUT&Tag通过绘制与发育和疾病广泛相关的表观遗传调控图谱，为空间生物学增加了一个新维度。
YANXIANG DENG, MAREK BARTOSOVIC, PETRA KUKANJA, etal. Spatial-CUT&Tag: Spatially resolved chromatin modification profiling at the cellular level. SCIENCE, 10 Feb 2022 DOI: 10.1126/science.abg7216
https://doi.10.1126/science.abg7216
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