scATAC-seq1：由转录组到表观组

引文

自1665年罗伯特·虎克在《Micrographia》一书中提出cell的概念，早期的生物学家便开始通过细胞的形态和功能对细胞进行分类。但随着科技的发展和时代的进步，人们逐渐发现同一种命名的细胞类型内部往往也存在着功能和形态的显著差异。而由于技术的缺陷，过去很长一段时间中人们对于细胞的研究停留在通过实验的角度进行观察和分析。单细胞测序技术的出现成为细胞生物学历程上的一个重要的转折点，它对于细胞类型定义、发育轨迹、细胞功能互作等研究提供了一个全新的视角。最受关注的单细胞组学无疑是单细胞转录组学，其技术在十年内飞速发展，并在近两年不断出现空间转录组学的新技术，实现空间维度高分辨率的转录组测序。同时，近几年人类和小鼠中各器官的单细胞转录组图谱层出不穷。

但是从转录组这一单一维度去研究细胞，进而分析科学问题，往往可能证据并不充分。我们需要通过借助表观组学的技术，丰富细胞类型特异性的基因表达调控机制，补充单细胞的染色质开放性图谱。我们之前在《单细胞天地》的大多数推文围绕的技术方法和介绍的文章都是以单细胞转录组的数据分析作为基础的，从本期开始我会主要从scATAC-seq为起点，结合近两年scATAC-seq分析的主要工具，为大家介绍单细胞表观组学基础的数据分析方法和研究进展。

Waddington表观遗传景观

首先，我想借助Waddington在1957年提出的表观遗传景观阐释生命科学研究中转录和表观的联系，而在发育生物学中，我们常用这一套理论描述基因调控下细胞分化的动态规律。小球在位于山的最高点，代表其为胚胎干细胞，分化能力最强，状态也最不稳定。小球下行的过程就类似于细胞分化的过程，而山上形成的各种峰和谷会对小球下行的轨迹产生影响。小球抵达盆地时，即形成比较稳定的细胞状态，最终对应的是分化形成的细胞类型。转录组的信息代表的是细胞的基因表达特征，在图中则对应的是小球自身的即时状态，与山体无关；而揭示细胞的染色质开放性特征，就好比是描述小球与山体之间的关系以及在山体中的位置，有利于推断下一时刻细胞的基因表达特征。

ATAC-seq技术的出现

2013年可能是在组学历史上具有里程碑意义的一年：汤富酬老师作为通讯作者在Nat Struct Mol Biol发表了scRNA-seq这项技术，而William J Greenleaf作为通讯作者在Nat Methods发表ATAC-seq技术。在2013年后，Greenleaf以ATAC-seq技术作为基础，发表了一系列表观组学的重要研究，同时开放了分析ATAC-seq数据相关的一系列R包工具。

ATAC-seq主要是通过Tn5转座酶进入细胞核中，切割核基因组中的开放区域，并连接特异的adaptor。连接adaptor的DNA片段被分离出来，进行高通量测序。其详细的技术原理和bulk ATAC-seq数据分析我就不再赘述，在《生信技能树》中各位可以找到相应的推文。相较于其他的表观组学的测序方法，ATAC-seq具有极为明显的优势，其样本的起始量需求比较低，而制备的时间周期相应也比较短。

scATAC-seq技术的发展

作为原始的bulk ATAC-seq，我们知道其只能解释组织样本的染色质开放性特征，然而对于生命科学领域的许多研究涉及到细胞分化的重要问题，也就是我们希望通过单细胞维度研究由一种细胞类型转变为另一种细胞类型的过程当中，染色质开放性的变化规律，从而研究转录因子在细胞类型转变过程中发挥的作用。

scATAC-seq的技术最早出现在2015年的两篇文章中：

• 一篇是William J. Greenleaf作为通讯作者在Nature发表的《Single-cell chromatin accessibility reveals principles of regulatory variation》；

• 还有一篇是Jay Shendure作为通讯作者在Science发表的《Multiplex Single Cell Profiling of Chromatin Accessibility by Combinatorial Cellular Indexing》，这两篇文章我会在后续的推文中进行介绍。

总结

这一期推文中我主要介绍了表观组学分析的重要意义以及表观组学解决的科学问题。应该来说，转录组学是作为还原细胞类型基因表达特性的基础，而表观组学对于细胞类型和细胞分化的调控规律能够提供一个全新的维度。在后续的文章中我会介绍scATAC-seq的技术方法和常用工具。