摘要：研究通過snm3C-seq結(jié)合snRNA-seq，首次繪制了人類皮下脂肪組織（SAT）的細(xì)胞類型分辨率表觀基因組圖譜。
多組學(xué)解析人類皮下脂肪細(xì)胞異質(zhì)性
研究團(tuán)隊(duì)采用單核甲基化-3C測序（snm3C-seq）技術(shù)，對(duì)5例芬蘭女性皮下脂肪組織（SAT）活檢樣本進(jìn)行多組學(xué)分析，同步捕獲6,652個(gè)核的DNA甲基化（mCG）和染色質(zhì)構(gòu)象數(shù)據(jù)，并與29,423個(gè)核的snRNA-seq數(shù)據(jù)整合。通過5kb分辨率mCG分析和100kb染色質(zhì)互作聚類，鑒定出脂肪細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞祖細(xì)胞（ASPCs）、血管周圍細(xì)胞等7種主要細(xì)胞類型，并發(fā)現(xiàn)63個(gè)核呈現(xiàn)表觀遺傳"過渡態(tài)"特征——其染色質(zhì)構(gòu)象類似脂肪細(xì)胞而甲基化模式接近血管周圍細(xì)胞，暗示人類脂肪細(xì)胞可能通過該路徑分化。
圖1 人類皮下脂肪組織的單細(xì)胞 DNA 甲基化組與三維基因組圖譜
甲基化與轉(zhuǎn)錄組的跨模態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
基因體mCG低甲基化與高表達(dá)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性（如脂肪標(biāo)記基因GPAM）?？缒B(tài)分析發(fā)現(xiàn)PPAR信號(hào)通路關(guān)鍵基因（ACSL1、ADIPOQ等）在脂肪細(xì)胞中同步呈現(xiàn)低mCG和高表達(dá)，而脂肪分化基因（如LEP、SREBF1）則富集于脂肪細(xì)胞特異性低甲基化區(qū)域。值得注意的是，僅21%的脂肪細(xì)胞標(biāo)記基因在兩種模態(tài)中重疊，但63%相關(guān)生物學(xué)通路（如脂質(zhì)代謝）具有跨模態(tài)一致性，提示表觀遺傳與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的協(xié)同作用。
髓系與脂肪細(xì)胞的甲基化"蹺蹺板"效應(yīng)
全基因組共鑒定705,063個(gè)差異甲基化區(qū)域（DMRs），覆蓋5.39%基因組。脂肪細(xì)胞與ASPCs分別呈現(xiàn)56.3%和50.6%區(qū)域低甲基化，而髓系細(xì)胞則73.0%區(qū)域高甲基化，47.3% DMRs呈現(xiàn)此消彼長模式。HOMER分析揭示髓系細(xì)胞低甲基化區(qū)域富集IRF4、MEF2B等轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序，ENCODE的ChIP-seq數(shù)據(jù)驗(yàn)證這些基序在GM12878細(xì)胞中富集度達(dá)3.5倍（P<1×10-12）。
脂肪細(xì)胞特異的基因組三維結(jié)構(gòu)
脂肪細(xì)胞表現(xiàn)出獨(dú)特的染色質(zhì)空間特征：短程互作（100kb-2Mb）比例較其他細(xì)胞高1.51倍（P<10-91），25kb分辨率下檢測到更多結(jié)構(gòu)域（平均4,120個(gè)/細(xì)胞）。染色體區(qū)室分析顯示，脂肪細(xì)胞的A區(qū)室（活性染色質(zhì)）與ADIPOQ等肥胖GWAS變異顯著共定位，而髓系細(xì)胞A區(qū)室則富集炎癥相關(guān)變異。值得注意的是，11,571個(gè)差異區(qū)室區(qū)域中，ADIPOQ基因所在基因組區(qū)域在ASPCs中處于B區(qū)室（抑制狀態(tài)），而在脂肪細(xì)胞中轉(zhuǎn)為A區(qū)室。
TET1-DNMT3A的表觀遺傳調(diào)控軸
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組顯示去甲基化酶TET1在脂肪細(xì)胞特異性高表達(dá)（P<10-300），而甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3A在髓系細(xì)胞優(yōu)勢表達(dá)（P<10-136）。人類前脂肪細(xì)胞分化實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TET1與PPARγ等脂肪生成基因呈現(xiàn)同步表達(dá)波動(dòng)。SAT批量RNA-seq進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，TET1表達(dá)與胰島素敏感性正相關(guān)（Matsuda指數(shù)r=0.32），而DNMT3A則呈負(fù)相關(guān)（r=-0.28）。
圖2 本研究采用 snm3C-seq 和 snRNA-seq 技術(shù)，在人類皮下脂肪組織（SAT）中對(duì)細(xì)胞類型水平的 DNA 甲基化、染色質(zhì)構(gòu)象及基因表達(dá)進(jìn)行表征，并解析腹部肥胖的遺傳風(fēng)險(xiǎn)
肥胖風(fēng)險(xiǎn)的細(xì)胞類型特異性遺傳基礎(chǔ)
英國生物銀行（UKB）39萬人數(shù)據(jù)分析顯示，脂肪細(xì)胞低甲基化區(qū)域和A區(qū)室的變異分別解釋腰臀比調(diào)整BMI（WHRadjBMI）遺傳風(fēng)險(xiǎn)的82%和79%，顯著優(yōu)于隨機(jī)背景（P<0.001）。髓系細(xì)胞a區(qū)室變異則與c反應(yīng)蛋白（crp）水平顯著相關(guān)，印證了肥胖相關(guān)炎癥的髓系細(xì)胞起源假說。gwas變異富集分析發(fā)現(xiàn)，脂肪細(xì)胞dmrs中肥胖相關(guān)變異達(dá)3.2倍富集（p=6.5×10-8）。
這項(xiàng)研究首次在單細(xì)胞層面揭示SAT表觀遺傳異質(zhì)性，建立DNA甲基化-三維基因組-轉(zhuǎn)錄組的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為理解肥胖及其并發(fā)癥的細(xì)胞類型特異性機(jī)制提供了新視角。發(fā)現(xiàn)的過渡態(tài)細(xì)胞群體和TET1-DNMT3A調(diào)控軸，為靶向干預(yù)代謝疾病提供了潛在新靶點(diǎn)。
參考資料
[1] Single-cell DNA methylome and 3D genome atlas of human subcutaneous adipose tissue
摘要：研究通過snm3C-seq結(jié)合snRNA-seq，首次繪制了人類皮下脂肪組織（SAT）的細(xì)胞類型分辨率表觀基因組圖譜。
多組學(xué)解析人類皮下脂肪細(xì)胞異質(zhì)性
研究團(tuán)隊(duì)采用單核甲基化-3C測序（snm3C-seq）技術(shù)，對(duì)5例芬蘭女性皮下脂肪組織（SAT）活檢樣本進(jìn)行多組學(xué)分析，同步捕獲6,652個(gè)核的DNA甲基化（mCG）和染色質(zhì)構(gòu)象數(shù)據(jù)，并與29,423個(gè)核的snRNA-seq數(shù)據(jù)整合。通過5kb分辨率mCG分析和100kb染色質(zhì)互作聚類，鑒定出脂肪細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞祖細(xì)胞（ASPCs）、血管周圍細(xì)胞等7種主要細(xì)胞類型，并發(fā)現(xiàn)63個(gè)核呈現(xiàn)表觀遺傳"過渡態(tài)"特征——其染色質(zhì)構(gòu)象類似脂肪細(xì)胞而甲基化模式接近血管周圍細(xì)胞，暗示人類脂肪細(xì)胞可能通過該路徑分化。
圖1 人類皮下脂肪組織的單細(xì)胞 DNA 甲基化組與三維基因組圖譜
甲基化與轉(zhuǎn)錄組的跨模態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
基因體mCG低甲基化與高表達(dá)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性（如脂肪標(biāo)記基因GPAM）。跨模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)PPAR信號(hào)通路關(guān)鍵基因（ACSL1、ADIPOQ等）在脂肪細(xì)胞中同步呈現(xiàn)低mCG和高表達(dá)，而脂肪分化基因（如LEP、SREBF1）則富集于脂肪細(xì)胞特異性低甲基化區(qū)域。值得注意的是，僅21%的脂肪細(xì)胞標(biāo)記基因在兩種模態(tài)中重疊，但63%相關(guān)生物學(xué)通路（如脂質(zhì)代謝）具有跨模態(tài)一致性，提示表觀遺傳與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的協(xié)同作用。
髓系與脂肪細(xì)胞的甲基化"蹺蹺板"效應(yīng)
全基因組共鑒定705,063個(gè)差異甲基化區(qū)域（DMRs），覆蓋5.39%基因組。脂肪細(xì)胞與ASPCs分別呈現(xiàn)56.3%和50.6%區(qū)域低甲基化，而髓系細(xì)胞則73.0%區(qū)域高甲基化，47.3% DMRs呈現(xiàn)此消彼長模式。HOMER分析揭示髓系細(xì)胞低甲基化區(qū)域富集IRF4、MEF2B等轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序，ENCODE的ChIP-seq數(shù)據(jù)驗(yàn)證這些基序在GM12878細(xì)胞中富集度達(dá)3.5倍（P<1×10-12）。
脂肪細(xì)胞特異的基因組三維結(jié)構(gòu)
脂肪細(xì)胞表現(xiàn)出獨(dú)特的染色質(zhì)空間特征：短程互作（100kb-2Mb）比例較其他細(xì)胞高1.51倍（P<10-91），25kb分辨率下檢測到更多結(jié)構(gòu)域（平均4,120個(gè)/細(xì)胞）。染色體區(qū)室分析顯示，脂肪細(xì)胞的A區(qū)室（活性染色質(zhì)）與ADIPOQ等肥胖GWAS變異顯著共定位，而髓系細(xì)胞A區(qū)室則富集炎癥相關(guān)變異。值得注意的是，11,571個(gè)差異區(qū)室區(qū)域中，ADIPOQ基因所在基因組區(qū)域在ASPCs中處于B區(qū)室（抑制狀態(tài)），而在脂肪細(xì)胞中轉(zhuǎn)為A區(qū)室。
TET1-DNMT3A的表觀遺傳調(diào)控軸
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組顯示去甲基化酶TET1在脂肪細(xì)胞特異性高表達(dá)（P<10-300），而甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3A在髓系細(xì)胞優(yōu)勢表達(dá)（P<10-136）。人類前脂肪細(xì)胞分化實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TET1與PPARγ等脂肪生成基因呈現(xiàn)同步表達(dá)波動(dòng)。SAT批量RNA-seq進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，TET1表達(dá)與胰島素敏感性正相關(guān)（Matsuda指數(shù)r=0.32），而DNMT3A則呈負(fù)相關(guān)（r=-0.28）。
圖2 本研究采用 snm3C-seq 和 snRNA-seq 技術(shù)，在人類皮下脂肪組織（SAT）中對(duì)細(xì)胞類型水平的 DNA 甲基化、染色質(zhì)構(gòu)象及基因表達(dá)進(jìn)行表征，并解析腹部肥胖的遺傳風(fēng)險(xiǎn)
肥胖風(fēng)險(xiǎn)的細(xì)胞類型特異性遺傳基礎(chǔ)
英國生物銀行（UKB）39萬人數(shù)據(jù)分析顯示，脂肪細(xì)胞低甲基化區(qū)域和A區(qū)室的變異分別解釋腰臀比調(diào)整BMI（WHRadjBMI）遺傳風(fēng)險(xiǎn)的82%和79%，顯著優(yōu)于隨機(jī)背景（P<0.001）。髓系細(xì)胞a區(qū)室變異則與c反應(yīng)蛋白（crp）水平顯著相關(guān)，印證了肥胖相關(guān)炎癥的髓系細(xì)胞起源假說。gwas變異富集分析發(fā)現(xiàn)，脂肪細(xì)胞dmrs中肥胖相關(guān)變異達(dá)3.2倍富集（p=6.5×10-8）。
這項(xiàng)研究首次在單細(xì)胞層面揭示SAT表觀遺傳異質(zhì)性，建立DNA甲基化-三維基因組-轉(zhuǎn)錄組的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為理解肥胖及其并發(fā)癥的細(xì)胞類型特異性機(jī)制提供了新視角。發(fā)現(xiàn)的過渡態(tài)細(xì)胞群體和TET1-DNMT3A調(diào)控軸，為靶向干預(yù)代謝疾病提供了潛在新靶點(diǎn)。
參考資料
[1] Single-cell DNA methylome and 3D genome atlas of human subcutaneous adipose tissue
