Science：开发出spatial-CUT&Tag技术，可在空间水平和全基因组水平上观察组织发育背后的表观遗传机制

2022年2月19日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国耶鲁大学和瑞典卡罗林斯卡学院的研究人员开发出一种技术，使他们能够同时在空间水平和全基因组水平上观察组织发育背后的表观遗传机制，这是一项在多种科学和医学应用上的突破。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Spatial-CUT&Tag: Spatially resolved chromatin modification profiling at the cellular level”。

虽然目前的技术允许科学家们在一大块组织中探究表观遗传信息，而且近期的突破进一步扩展到单细胞水平，但是目前还不可能在组织中在细胞分辨率下直接进行观察。这是一个关键的障碍，因为细胞在组织中的分布方式和它们的功能之间存在着密切的联系。在这项新的研究中，他们开发出一种技术，首次实现了与发育和疾病相关的表观遗传调控的空间映射。

我们都从一个细胞中相同的遗传物质开始，但这个细胞很快就会增殖成数万亿个不同的细胞。每个细胞都有相同的基因组，但区别在于哪些基因受到激活或抑制。胚胎中不同的表观遗传学修饰---将某些基因开启，将其他基因关闭---引导着发育，并允许不同器官的形成。在这项新的研究中，这些作者专注于最重要的表观遗传学变化之一，即所谓的组蛋白修饰。

论文通讯作者、耶鲁大学生物医学工程教授、耶鲁大学医学院病理学教授Rong Fan说，“什么内在机制控制着细胞类型和组织发育？这就是我们现在通过这项新技术---spatial-CUT&Tag---能够‘看到’的东西。这是我们首次能够直接在组织中观察哪些组蛋白修饰控制全基因组的基因表达，以及它们是如何做到的---它为这个新兴的空间生物学领域增加了一个全新的维度。”

组蛋白修饰的空间绘图，图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abg7216。

其他技术允许对单个细胞的表观遗传修饰进行分析，但不是在它们所在的组织中进行的。能够在细胞的完整背景下跟踪它们，为细胞组装、组织发育和疾病提供了宝贵的新见解。论文共同作者、卡罗林斯卡学院胶质细胞生物学教授Gonçalo Castelo-Branco指出，该技术提供了关于组织切片中哪些基因开启和关闭的信息。

他说，“这提供了很多额外的信息，比如，为什么神经细胞就是神经细胞？在以前，你可以逐个细胞地检查，但是你会失去所有关于细胞在哪里以及它们可能如何相互作用的信息。有了这项技术，我们如今也有了空间位置。此外，你可以在这种空间位置确定所有这些表观基因组信息，这是该技术真正惊人的方面之一。”

具体来说，这些作者在小鼠的胚胎脑和出生后的大脑中研究了染色质修饰。已有研究表明，在胚胎阶段，特定的组蛋白修饰可以控制大脑的不同皮质层，但尚不清楚它们在出生后是否会有同样的功能。

Fan说，“所以如今这是我们第一次可以直接在出生后的大脑中看到这些表观遗传特征。我们可以说，‘哇，实际上这些表观遗传特征是条状的，与小鼠大脑的皮质层相对应。’这意味着它们可能在控制或维持这些层的形成。”

这些作者通过设计具有多个微通道的微流控设备开发出这种技术，这些微通道被用来向存在表观遗传修饰的基因组DNA提供DNA条形码。论文第一作者、Fan实验室博士后研究员Deng Yanxiang说，他们随后可以检索基因组DNA并通过计算方法重建空间位置。如果基因组DNA上有组蛋白修饰，一个经过标记的DNA条形码就会与该组蛋白修饰相关联，这就使得他们能够在组织中定位表观遗传信息。

这种spatial-CUT&Tag技术为近年来开发的CUT&Tag技术增加了一个额外的维度，使科学家们能够逐个像素获得极其精确的信息。该技术使人们能够在组织切片中的每个细胞上放置一个类似GPS坐标的标识符。

Castelo-Branco说，“有了这个，你可以重建组织图谱。它能够为该组织切片中的每一个像素设置一个坐标，然后你可以回去说，‘好的，这是这种组蛋白修饰存在的地方：在这个特定的细胞或细胞群的这个特定的基因中。’”

从长远来看，这些作者希望该技术将用于更好地了解疾病的产生。Fan说，“表观遗传药物如今正在出现，因此我们有可能开发靶向这些表观遗传机制的药物。拥有了解不同疾病状态的表观遗传起源的工具有潜力开辟出一条全新的治疗途径。”

这些作者强调，该技术具有广泛的应用范围。Castelo-Branco说，“这是一个起点，它将允许在不同的组织上取得很多与此类似的发现。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Yanxiang Deng et al. Spatial-CUT&Tag: Spatially resolved chromatin modification profiling at the cellular level. Science, 2022, doi:10.1126/science.abg7216.