动植物单细胞Hi-C来袭！基于华大智造TaiM 4平台，臻阅生物助力单细胞研究步...

在胚胎发育、细胞分化和组织形成等复杂生命活动过程中，细胞呈现出高度异质性的染色质动态调控变化。传统bulk Hi-C技术无法揭示这种染色质结构异质性，难以建立特定细胞类型的空间基因组结构与基因表达的因果关系，由于其“混合平均”效应，样本中占比较少的细胞类型（如肿瘤干细胞、早期胚胎细胞）信号被淹没，造成关键调控机制的“失真”。近日，臻阅生物已成功将Hi-C技术与华大智造TaiM 4单细胞液滴生成仪相结合，开发出了高通量微流控单细胞染色体构象捕获技术scHi-C，助力单细胞科学研究加速步入三维时代！

单细胞三维基因组技术能够以单细胞分辨率在发育、疾病、细胞分化等过程中识别染色质空间折叠的异质性和细胞类型特异性，从而避免传统群体细胞Hi-C分析中因“平均化”效应而掩盖关键生物学差异的问题。

单细胞水平的染色质三维结构差异

（Stevens, et al. 2017, Nature）

然而，现有scHi-C技术普遍面临细胞通量限制，尽管基于组合索引（combinatorial indexing）策略的单细胞方法在多年前已有报道，但实验流程复杂耗时，手动操作步骤过多且依赖定制化试剂，很大程度上限制了其商业化进程，也制约了scHi-C技术在大规模细胞图谱研究中的应用。

在过去十年中，出现了多种单细胞三维基因组研究，加深了人们对染色质结构与基因表达关系的理解，文章均发表在高水平国际著名期刊，但这些研究的实验样本多数都是小鼠脑组织、小鼠胚胎或人细胞，未见其它动物物种出现。在植物中，目前仅一篇水稻的“单个细胞”（在显微镜下手动挑取1个细胞）的Hi-C文章于2019年发表，此后，至今再无其它植物单细胞Hi-C文章。由此可见，scHi-C在其它动植物中的应用还有巨大的潜力空间。

随着微流控技术的发展，高通量scHi-C应用的转折点发生于2024年10月18日，加州大学圣地亚哥分校任兵课题组在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为Droplet Hi-C enables scalable, single-cell profiling of chromatin architecture in heterogeneous tissues 的研究论文。这是首个将染色质构象捕获技术与商业化的液滴微流控平台相结合而开发出的全新高通量单细胞Hi-C技术——Droplet Hi-C。

该技术将交联的细胞核，经过Hi-C实验流程处理后，再进行Tn5转座酶反应将染色质片段化，随后通过液滴微流控平台10x Chromium为单细胞加上独一无二的细胞标签，回收产物后经过扩增即可完成建库，使得单批次实验可捕获高达数万个单细胞的三维基因组信息，大幅提高了单细胞Hi-C的通量和自动化建库程度，减少手动操作时间，为研究三维基因组在发育与疾病中的作用及未来临床诊断提供了新工具。

Droplet Hi-C实验原理

基于染色质结构的聚类分析能够精确区分混合样本中不同的细胞类群，研究团队发现细胞类型特异性染色质高级结构与表观遗传修饰及基因表达紧密相关。Droplet Hi-C还能在单细胞层面检测到基因组拷贝数变异及常见的染色质结构变异，特别是能检测到染色体外环状DNA（ecDNA）。

通过结合拷贝数、染色体互作分布等多种特征，研究团队训练了基于卷积神经网络的ecDNA预测模型（ecDNA caller），能有效区分单细胞内ecDNA与其染色体上的同源区域，作者揭示了胶质母细胞瘤对EGFR抑制剂的耐药性产生过程中ecDNA的单细胞群体分布与结构动态变化。

Droplet Hi-C揭示胶质母细胞瘤细胞系在药物处理前后ecDNA的异质性

自任兵实验室发表Droplet Hi-C仅3个月后，2025年1月21日，昌平国家实验室/北京大学生物医学前沿创新中心谢晓亮院士课题组在Cell Discovery上发表了题为“Droplet-based high-throughput 3D genome structure mapping of single cells with simultaneous transcriptomics”的研究论文，该研究同样开发了基于微流控系统的高通量单细胞Hi-C技术（Droplet-based single-cell Hi-C，dscHi-C），并利用dscHi-C对小鼠大脑皮层的三个发育阶段（年轻，中年，老年）进行取样，构建了小鼠大脑皮层的单细胞三维基因组衰老图谱。

作者发现在神经元和胶质细胞中染色质都表现出区室化变弱，并且伴随着长程相互作用和染色体间互作的增加，神经元区室变化的基因富集在感官和信息素感知及DNA甲基化代谢通路，而胶质细胞区室变化的基因显著富集在先天免疫反应通路。在神经元中TAD结构在衰老过程中增强，老年小鼠特异的新发边界显著富集于轴突导向等神经元形态发生相关通路。

小鼠大脑皮层衰老过程的单细胞三维基因组变化

高通量单细胞Hi-C技术为揭示发育与疾病中三维基因组与基因调控的时空关系奠定了方法学基础。未来，该技术可深度应用于人类疾病、肿瘤微环境、动植物生长发育、细胞分化等领域的异质性解析，推动细胞类型特异性精准调控与靶向干预方法的成熟。

臻阅生物已成功将Hi-C技术与华大智造TaiM 4单细胞液滴生成仪相结合，开发出了高通量微流控单细胞染色体构象捕获技术scHi-C，运用基于超图表征学习的机器学习算法Higashi实现了对高维稀疏的scHi-C数据进行分析（该算法由美国卡内基梅隆大学计算机学院计算生物系马坚实验室开发），并将其应用从小鼠和人类样本拓展至其它动物和植物组织样本中，助力单细胞科学研究加速步入三维时代！

单细胞Hi-C数据算法Higashi分析原理示意图

基于华大智造TaiM 4单细胞液滴生成仪的单细胞Hi-C实验流程示意图

未来，华大智造将持续进行细胞组学领域创新开发，致力于为所有生命科学实验室提供高通量、高灵敏、智能自动化、经济且操作友好的细胞组学全流程产品，让单细胞测序技术真正走向规模化和标准化，推动单细胞技术在生命科研领域和人类健康产业更加可及。

(华大智造 动态宝)