Nat Cell Biol | Dam & ChIC揭示X染色体失活过程中染色质的序贯重组

撰文 |章台柳

基因表达由染色质组织不同层面的多种因子协同调控。其中，组蛋白尾部的翻译后修饰（hPTMs）、染色质的高级折叠以及染色质与核支架（如核仁、核纤层）的相互作用，在调控基因活性方面发挥关键作用。

过去十年间，分子技术飞速发展，实现了在单细胞中分析染色质组织的诸多特征，揭示出比预期更广泛的细胞间变异性和动态变化。同时发展出在同一细胞中同时测量多种因子的方法，从而评估染色质特征之间的相互关联性。例如multi - CUT & Tag、MulTI-Tag、nano-CT、NTT-seq和scMAbID等方法，通过结合靶向特异性抗体和染色质原位标记，提供多因子信息。尽管这些方法具有适用性，且有潜力揭示基因调控层级，但部分方法获取的信息稀疏。因此，对基因调控多因子控制的理解仍需要进一步研究。

近日 ，来自 荷兰乌得勒支大学的 Peter Zeller 和 Jop Kind 团队合作 在 Nature Cell Biology 杂 志上发表文章 Retrospective and multifactorial single-cell profiling reveals sequential chromatin reorganization during X inactivation ，开发出在单细胞中进行回顾性、多因子的染色质分析方法——Dam&ChIC。Dam&ChIC利用活细胞中m6A对染色质进行标记来获取过去的染色质状态，结合抗体介导的检测来捕捉当前的染色质状态。对多种因子组合的分析验证其多功能性和更高的分辨率。通过追踪细胞周期中片层相关结构域的遗传，证明了Dam & ChIC可提供回顾性的单细胞染色质数据。将其用于研究随机X染色体失活，揭示出染色质重塑事件的顺序。有丝分裂退出且Xist表达后，失活的X染色体先发生广泛的基因组-核纤层脱离，之后才出现多梳蛋白的沉积。Dam & ChIC或有助于揭示发育过程中细胞状态变化背后基因调控事件的相互关联性和顺序。

通过将染色质因子与细菌甲基转移酶进行融合表达，从而在与染色质相互作用位点的附近用甲基化标记基因组。由于真核细胞中不存在其代谢途径，这类标记可随时间保留，从而代表过去蛋白质-DNA相互作用的分子足迹，可使用二代测序检测。DamID【1】就是这种技术，可在单细胞分辨率的受控时间段内记录蛋白质-DNA相互作用。那么如何获取现在染色质状态？sortChIC【2】是通过原位靶向与蛋白A融合的微球菌核酸酶（pA - MNase），特异性消化和扩增与抗体结合的染色质，来恢复高分辨率单细胞染色质谱。将两种方法进行整合，研究人员开发出Dam & ChIC，结合了活细胞中染色质状态的记录和原位抗体导向的染色质消化，从而实现高分辨率的多因子测量来剖析单细胞中染色质状态间的相互作用；以及同一细胞内的回顾性测量，以揭示染色质随时间的动态变化。

成像显示，有丝分裂后子细胞中核纤层相关结构域（LADs）需要重新定位，但序列特征以及基因组-核纤层重组的潜在模式仍不明晰。研究人员利用Dam & ChIC来回顾性测量同一细胞在有丝分裂前后的基因组-核纤层相互作用。结果显示，与G2期细胞相比，G1期细胞中DamID和ChIC的LAD谱相似度显著下降，这与先前显微镜观察到的有丝分裂后LAD重组的发现一致。然而，G1期细胞的相似度仍显著高于随机细胞对比时的相似度。这表明LADs从G2期到G1早期是部分遗传的。值得注意的是，不同LADs之间的遗传程度差异极大，一些结构域显示出显著的异质性，而其他结构域在不同细胞间显示出稳定的遗传。特征分析显示，LADs的大小和A/T含量与遗传呈正相关，H3K27me3富集程度和基因密度与遗传呈负相关，而 H3K9me3、H3K4me3、短散在核元件（SINE）和长散在核元件（LINE）含量与LAD遗传呈弱负相关或无相关性。即单细胞中的LADs通过富含A/T的大片段DNA的多价接触来组织。

研究人员又利用Dam & ChIC研究X染色体失活（XCI）过程中染色质特征之间的相互作用。在XCI期间，剧烈的重塑使失活的X染色体（Xi）发生转录抑制，以确保男性（XY）和女性（XX）之间X连锁基因的剂量补偿。异染色质形成起始于长链非编码RNA Xist对Xi的覆盖，以及随后多梳蛋白介导的H2AK119Ub和H3K27me3的沉积与扩散。尽管对Xi上hPTM景观的重塑已进行了广泛研究，但其核定位仍不明晰。之前的研究显示，Xi与不同的核区室（如核仁或核纤层）相互作用，这种相互作用是否具有动态性，以及与hPTM如何关联尚不明确。利用Dam & ChIC发现，在XCI期间，X染色体的大片区域从核纤层脱离，且X染色体上缺乏H 3 K 9 me 3 的区域在XCI期间预先确定会从核纤层脱离，并积累H 3 K 27 me 3 ，而脱离抵抗的区域对Xist扩散和多梳蛋白沉积具有抵抗型，且与预先存在的H 3 K 9 me 3 结构域重合。对时间顺序进行分析发现，脱离发生在Xist表达之后，在多梳蛋白结构域形成之前。且Xi从核纤层的脱离与从G 2 期到G 1 期的转变同时发生，即Xi的基因组-核纤层相互作用可能在有丝分裂期间丧失。

总的来说， 这项研究开发了一种染色质分析技术——Dam & ChIC，能够以高分辨率同时分析两种不同的染色质特征，或者回顾性地测量同一细胞中染色质状态随时间的转变。为研究与单细胞状态转变相关的染色质调控事件层级提供了有力工具。

https://www.nature.com/articles/s41556-025-01687-w

制版人：十一

参考文献

1. Rooijers, K. et al. Simultaneous quantification of protein-DNA contacts and transcriptomes in single cells.Nat. Biotechnol.37 , 766–772 (2019).

2. Zeller, P. et al. Single-cell sortChIC identifies hierarchical chromatin dynamics during hematopoiesis.Nat. Genet.55 , 333–345 (2023).

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