2020年12月，ATAC測(cè)序技術(shù)創(chuàng)始人——斯坦福大學(xué)教授Howard Chang在bioRxiv發(fā)表，利用最新的10x Genomics單細(xì)胞ATAC+轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)染色體外DNA樞紐（EcDNA hubs）對(duì)原癌基因表達(dá)的重要作用。接下來(lái)跟著小編一起來(lái)挖掘單細(xì)胞多組學(xué)的研究思路吧。

摘要

染色體外DNA (ecDNAs)在人類癌癥中普遍存在，可通過(guò)增加拷貝數(shù)和改變基因調(diào)控介導(dǎo)高致癌基因表達(dá)，包括接觸和激活同一染色體上基因遠(yuǎn)端增強(qiáng)子DNA元件。本研究利用單細(xì)胞ATAC+轉(zhuǎn)錄聯(lián)合檢測(cè)，單分子測(cè)序和Chip-seq揭示了ecDNA在沒(méi)有轉(zhuǎn)錄的情況下持續(xù)存在，并促使癌基因結(jié)構(gòu)多樣化，具有和DNA相互作用的能力。而ecDNA樞紐，主要通過(guò)蛋白質(zhì)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同轉(zhuǎn)錄，可作為癌基因功能、協(xié)同進(jìn)化和癌癥治療新靶點(diǎn)的單位。

研究結(jié)果

01

ecDNA中心是癌基因轉(zhuǎn)錄

的主要位置

利用DNA FISH技術(shù)發(fā)現(xiàn)，ecDNA在活細(xì)胞中是動(dòng)態(tài)變化的，可以隨著時(shí)間移動(dòng)并改變形態(tài)。與DNA FISH研究中固定的細(xì)胞相比，ecDNA在活細(xì)胞中空間上更緊湊，可能是由于TetO陣列沒(méi)有整合所有的ecDNA分子，以及在DNA FISH期間變性引起了電位差。這些結(jié)果表明，ecDNA聚類發(fā)生在具有不同癌基因擴(kuò)增的各種癌癥類型中。當(dāng)同一細(xì)胞中以ecDNA樞紐的形式出現(xiàn)更多的拷貝時(shí)， ecDNA分子更有可能轉(zhuǎn)錄癌基因。02

單細(xì)胞共變異識(shí)別與癌基因表達(dá)

相關(guān)的ecDNA增強(qiáng)子

利用單細(xì)胞ATAC+轉(zhuǎn)錄聯(lián)合檢測(cè)的方法，對(duì)結(jié)直腸癌細(xì)胞系72,049個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序，發(fā)現(xiàn)原癌基因MYC的基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性都表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞異質(zhì)性。對(duì)高表達(dá)MYC基因的細(xì)胞重新分析，發(fā)現(xiàn)MYC基因的表達(dá)與染色質(zhì)可及性有較高的一致性，細(xì)胞中與MYC表達(dá)相關(guān)的調(diào)控元件的異質(zhì)性活性可能是ecDNA的一個(gè)獨(dú)特特征。表明不同的增強(qiáng)子活性是ecDNA癌基因表達(dá)細(xì)胞異質(zhì)性的關(guān)鍵。

03

增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的互作驅(qū)動(dòng)

ecDNA的多樣性和原癌基因的表達(dá)

通過(guò)單分子基因組測(cè)序以及HiCHIP實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了ecDNA一級(jí)序列的廣泛多樣性，包括可以預(yù)測(cè)限制順式細(xì)胞與遠(yuǎn)端調(diào)控元件接觸的結(jié)構(gòu)變異。而穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄與ecDNA中增強(qiáng)子的組合使用有關(guān)。ecDNA分子在空間上的互作，可以實(shí)現(xiàn)載體基因的穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄。

04

BET蛋白介導(dǎo)ecDNA樞紐的形成和轉(zhuǎn)錄

利用CHIP-seq，ATAC-seq和全基因組測(cè)序分析與MYC表達(dá)相關(guān)的調(diào)控原件，發(fā)現(xiàn)BET蛋白的h3k27ac互作是ecDNA聚類的必要條件，ecDNA樞紐形成過(guò)程中對(duì)BET蛋白具有獨(dú)特的依賴性，ecDNA樞紐破壞會(huì)導(dǎo)致MYC癌基因轉(zhuǎn)錄抑制和帶有ecDNA分子癌細(xì)胞的死亡。

研究結(jié)論

此項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞中攜帶ecDNA癌基因的細(xì)胞與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)錄高表達(dá)具有很強(qiáng)的共定位性，這種ecDNA的局部聚集促進(jìn)了新的增強(qiáng)子-啟動(dòng)子相互作用和癌基因表達(dá)。在癌基因驅(qū)動(dòng)的程序中，這些增強(qiáng)子在分子間的不同結(jié)合促進(jìn)了細(xì)胞間的異質(zhì)性。此發(fā)現(xiàn)對(duì)人類了解ecDNA的重新連接如何促進(jìn)癌基因轉(zhuǎn)錄和癌細(xì)胞異質(zhì)性具有深遠(yuǎn)的意義。