測量單個細胞的染色質可接近性，從而揭示胚胎發育路徑

在一項新的研究中，美國華盛頓大學和位于德國海德堡市的歐洲分子生物學實驗室的研究人員證實細胞類型和發育階段能夠從數千個單細胞的染色質可接近性（chromatin accessibility, 也譯作染色質開放性）測量中推導出來。他們利用這種方法發現正在發育的胚胎中的細胞如何調節它們的身份，從而決定著它們變成什么類型的細胞。相關研究結果發表在2018年3月22日的Nature期刊上，論文標題為“The cis-regulatory dynamics of embryonic development at single-cell resolution”。論文通信作者為歐洲分子生物學實驗室的Eileen Furlong和華盛頓大學醫學院的Jay Shendure。

這種新的和更為系統性的方法允許研究人員同時分析胚胎中的所有不同的細胞類型，并且重要的是，是在單細胞分辨率下開展分析。Furlong說，“我期待這種方法節省世界各地的實驗室很多時間。”

之前，科學家們必須首先分離不同的細胞類型，然后分批地研究每種細胞類型中的染色質。這種冗長的方法提供了一種給定的細胞類型的數千個細胞的平均測量值。Shendure說，“之前的研究利用RNA含量的差異來鑒定細胞類型和它們的發育路徑。在這項新的研究中，我們測量了單個細胞中的染色質狀態，這種染色質狀態包括控制著每個細胞中的RNA表達方式和時間的調控程序。”

染色質的作用

染色質是由DNA和蛋白組成一種緊密纏繞的結構，用于將遺傳信息存儲在細胞核內。人細胞中的染色質含有約兩米長的DNA，而且這種DNA被包裝在尺寸小于百分之一毫米的細胞核中。諸如啟動子和增強子之類的調控元件是調節基因表達水平因而調節蛋白產生的短DNA片段，這最終使得細胞類型彼此不同。當細胞使用特定的調節元件時，染色質展開，從而使得它的內含物變得可接近。這就是為何Furlong、Shendure及其同事們猜測染色質可接近性能夠揭示細胞如何遵循一種特定的發育路徑，比如變成高度特化的肌肉細胞或神經細胞。

擁有關于染色質可接近性的單細胞信息使得這些研究人員能夠確定單個細胞的身份和它是如何受到調節的。他們在果蠅胚胎中開展實驗，不過這種方法可以應用于任何物種。實驗結果鑒定出數千個之前未知的僅在一部分細胞中用到的調控元件，并預測每個調控元件在發育過程中在何時和何處于活性狀態。這些數據揭示出不同細胞類型之間存在著很大的差異，并為未來的研究提供了一種強有力的資源。