壹、 10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術原理
為同時獲得同壹細胞的轉錄組和表觀組，10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術首先利用Tn5轉座酶對細胞核懸液進行核DNA轉座，Tn5轉座酶優先切割開放染色質區域中的核DNA。然後利用Chromium平臺進行單細胞基因表達（GEX）和ATAC文庫制備，該過程將單個細胞核、反應試劑與單個凝膠珠（Gel Bead）包裹成液滴（GEM）。凝膠珠同時包括帶有特異性條形碼（10x Barcode）、唯壹分子標識符（UMI）的poly(dT)序列和帶有10x Barcode的Spacer序列，poly(dT)序列能夠捕獲具有poly(dA)尾的mRNA用於生成基因表達（GEX）文庫，Spacer序列能夠將條形碼添加到轉座的DNA片段上生成ATAC文庫。對得到的兩種文庫進行測序，並將來自同壹細胞兩種文庫的測序數據通過10x Barcode匹配，即可實現同時對同壹細胞的轉錄組和表觀組進行關聯。
二、 10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術優勢
1.壹個細胞，兩種解讀
10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術可以充分利用樣品，從壹個細胞中得到轉錄組和表觀組兩種信息，可以最大限度地獲取有限樣品的多層見解。
美國斯坦福大學醫學院利用10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術從來自同壹患者的結直腸癌細胞系COLO320-DM（癌基因 MYC 在ecDNA上擴增）和COLO320-HSR（癌基因 MYC 在串聯染色體擴增子（HSRs）上擴增）的總***72,049個細胞中獲得了配對的轉錄組和染色質可及性圖譜。單細胞ATAC-seq和單細胞RNA-seq數據的細胞聚類顯示了COLO320-DM和COLO320-HSR細胞系的獨立聚類。相對於染色體HSR? MYC 擴增的COLO320-HSR，在ecDNA? MYC 擴增的COLO320-DM中RNA表達以及 MYC 的可及性評分是高度異質性的，表明調控元件的可變活性可以解釋細胞間致癌基因表達的差異。
2. 兩種聚類結果結合更精細鑒定細胞類型
10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術能夠同時利用轉錄組和表觀組兩套數據數據進行細胞聚類，更好的表征復雜細胞群的細胞異質性，發現隱藏的見解。此外，利用基因表達標記能夠更容易地解釋表觀遺傳特征。
麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所的研究人員利用單細胞多組學ATAC+基因表達技術獲得了來自成年小鼠皮膚34,774個細胞的高質量表觀基因組和轉錄組圖譜，基於這兩種數據的分析發現，不僅可以區分不同譜系的細胞類型，還可以區分密切相關類型的細胞，例如αhigh CD 34+與αlow CD 34+。基於RNA的的細胞簇也可以通過染色質可及性特征來區分，進壹步確認它們的身份，例如根據譜系決定因子的活性對聚類進行了註釋揭示了全轉錄激活因子Dlx3和Sox9以及阻遏物Zeb1和Sox5等。壹些細胞狀態可以通過染色質或基因表達特征以更高的分辨率識別，例如根據聚類特征對細胞簇進行分組揭示了毛囊永久部分和再生部分之間更明顯的染色質可及性差異；相反對應顆粒層的細胞在基因表達水平上作為壹個獨特的簇更容易區分。
3. 轉錄組和表觀組關聯發現新的基因調控作用
10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術能夠將調控元件與基因表達結合起來，探索驅動細胞分化，發育和疾病的基因調控相互作用。
華盛頓大學的研究人員將單細胞多組學ATAC+基因表達技術應用於8周齡雄性小鼠的腎臟組織，獲得了11,296個細胞的轉錄組和染色質可及性圖譜，並發現了1260個遠端位點與321個基因的關聯。44%的位點關聯到最近的TSS，21%則關聯到第二近的TSS。相關性最高的關聯在遠曲小管細胞標記基因 Slc12a3 和其TSS下遊36 kb的位點之間，並與其最後壹個外顯子重疊，該位點的可及性對遠曲小管細胞的特異性稍高。遠端順式調控元件和它們的靶基因之間的聯系對於解釋不同細胞類型的差異表達是有用的。例如， Slc6a 18 （2型近端小管S3細胞的標誌基因）的細胞類型特異性表達並不通過細胞類型特異性啟動子可及性來反映，它的TSS與16 kb以外的壹個位點相關，該位點的可及性與 Slc6a18 表達相關。
三、 10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達應用領域
由於單壹組學的局限性，單細胞ATAC-seq測序技術出現之後不久，單細胞ATAC-seq與單細胞RNA-seq兩種技術同時應用的策略便被采用。目前，這種策略已經已被大量應用於器官發育、疾病和癌癥發生機制研究等不同領域，累計發表文章將近50篇。而直接利用單細胞多組學ATAC+基因表達技術進行同壹細胞轉錄組和表觀組的方法也已被應用於新生和成年小鼠大腦皮層、塞米松治療的肺癌細胞、小鼠腎臟、小鼠胚胎發育階段的前腦和小鼠皮膚等組織。2020年12月，首個利用10x Genomics單細胞ATAC+基因表達技術研究ecDNA中樞驅動分子間協同癌基因表達的研究也被報道。
1. 案例：單細胞多組學ATAC+基因表達分析揭示小鼠皮膚譜系決定機制
發表時間：2020年11月
發表單位：麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所等
發表期刊：Cell
影響因子：38.637
1） 研究背景
細胞分化和功能在基因調控的多個層面上受到調控，包括通過染色質可及性的變化來調控基因表達。然而，分化是壹個異步過程，妨礙了現在對導致細胞命運決定調控事件的理解。
2） 材料方法
單細胞多組學ATAC+基因表達技術（SHARE-seq），小鼠皮膚、肺和腦組織。
3） 研究結果
a. 多組學分析不僅可以區分不同譜系的細胞類型，還可以區分密切相關類型的細胞；基於RNA的細胞簇也可以通過染色質可及性特征進壹步確認身份；壹些細胞狀態可以通過染色質或基因表達特征以更高的分辨率識別。
b. 在成年小鼠皮膚中鑒定出63,110個peak-gene關聯，少數單個峰與4個或更多基因相關。高peak-gene相關的調控染色質區域（DORC）與超級增強子重疊。
c. DORC與已知的跨譜系決定關鍵調控基因強烈富集。即使在密切相關的細胞群之間DORCs也存在顯著差異，表明DORCs具有高度的細胞類型特異性。
d. DORCs通常在其相關基因表達開始前變得可及，這與譜系啟動壹致。增強子激活預示靶基因表達的長期假設，並暗示染色質可及性是譜系啟動的標誌。
e. 染色質可及性的全基因組變化反映了譜系啟動的細胞狀態，染色質潛力可能在比RNA速度更大的時間尺度上預測未來的細胞狀態，特別是在分化期間。
參考文獻：
1. King L. Hung, Kathryn E. Yost,Liangqi Xie, et al. EcDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression.[J].bioRxiv, 2020.11.19.390278.
2. Ma Sai, Zhang Bing, LaFaveLindsay M et al. Chromatin potential identified by shared single-cell profiling of RNA and chromatin.[J] .Cell, 2020, 183: 1103-1116.e20.
3. Cao Junyue, Cusanovich DarrenA, Ramani Vijay et al. Joint profiling of chromatin accessibility and gene expression in thousands of single cells.[J] .Science, 2018, 361: 1380-1385.