2023年5月3日，上海交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)與遺傳發(fā)育學(xué)系李令杰課題組在國際學(xué)術(shù)期刊Briefings in Bioinformatics在線發(fā)表題為 “InferLoop: leveraging single-cell chromatin accessibility for the signal of chromatin loop” 的研究論文。研究中開發(fā)了一款用于分析單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測序數(shù)據(jù)（scATAC-seq）的新型計(jì)算工具InferLoop,該工具通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù)的擾動(dòng)，進(jìn)而預(yù)測細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)信號(hào)。
目前，解析細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)仍是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。為了解析細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，最新的實(shí)驗(yàn)方法是使用單細(xì)胞測序技術(shù)直接捕獲基因組的三維互作信息（例如scHi-C等。）。然而，這些實(shí)驗(yàn)方法的操作過程較為復(fù)雜，對(duì)于大規(guī)模、高通量的單細(xì)胞樣本仍然難以實(shí)現(xiàn)。與單細(xì)胞染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測序技術(shù)不同，單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測序技術(shù)相對(duì)簡便，已被廣泛應(yīng)用于破譯細(xì)胞內(nèi)表觀調(diào)控的異質(zhì)性。與此同時(shí)，針對(duì)單細(xì)胞可及性測序數(shù)據(jù)的計(jì)算工具也變得不可或缺。使用計(jì)算工具（Cicero、ArchR等），研究人員已經(jīng)可以通過“信號(hào)峰”（Peak）之間的相關(guān)性，預(yù)測數(shù)據(jù)峰之間的三維互作關(guān)系（Loop）。基于預(yù)測得到的三維互作關(guān)系，研究人員可以通過檢查不同細(xì)胞類型內(nèi)Peak的高低，大致評(píng)判是否存在細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，但仍缺乏精確量化染色質(zhì)三維互作關(guān)系在不同細(xì)胞類型內(nèi)的強(qiáng)弱程度的計(jì)算方法。
為了解析細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種用于精確量化染色質(zhì)三維互作關(guān)系在不同細(xì)胞類型內(nèi)強(qiáng)弱的新型計(jì)算工具InferLoop。針對(duì)用戶輸入的單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測序數(shù)據(jù)，InferLoop首先要求用戶使用Cicero或ArchR等工具生成Loop列表，然后通過將臨近的細(xì)胞聚集形成簇（bin）來增加信號(hào)的可靠性，最后通過計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù)的擾動(dòng)來得到每個(gè)細(xì)胞簇在每個(gè)Loop的信號(hào)。為了說明該方法的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)將預(yù)測得到的信號(hào)與單細(xì)胞染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測序得到的Loop信號(hào)進(jìn)行了比較，說明了InferLoop的效果優(yōu)于其他計(jì)算模型。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)InferLoop在更廣泛的應(yīng)用場景中也具較高的實(shí)用價(jià)值，包括：1、利用單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測序數(shù)據(jù)或空間染色質(zhì)可及性測序（spatial-ATAC-seq）數(shù)據(jù)預(yù)測細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維互作關(guān)系；2、利用染色質(zhì)三維互作關(guān)系的信號(hào)預(yù)測基因表達(dá)水平；3、利用細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維互作關(guān)系解釋基因組非編碼區(qū)域的生物學(xué)意義。該研究不但開發(fā)出更加準(zhǔn)確并且適用廣泛的單細(xì)胞分析新工具，并進(jìn)一步加深了人們對(duì)于細(xì)胞類型特異的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。InferLoop的使用信息請(qǐng)見：https://github.com/jumphone/inferloop。
上海交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)與遺傳發(fā)育學(xué)系李令杰研究員為該論文的通訊作者，張豐助理研究員為該研究論文的第一作者和共同通訊作者。此外，參與該項(xiàng)工作的人員還包括李令杰課題組的焦慧媛等多名研究生，以及合作方上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院周君梅課題組與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院沈鍵鋒課題組。本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃干細(xì)胞專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委、上海交通大學(xué)新進(jìn)青年教師啟動(dòng)計(jì)劃，以及上海市生殖醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、細(xì)胞分化與凋亡教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市細(xì)胞穩(wěn)態(tài)調(diào)控與疾病前沿科學(xué)研究基地和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院公共技術(shù)平臺(tái)的支持。
圖1：InferLoop單細(xì)胞分析工具的計(jì)算框架以及該工具的應(yīng)用場景。
課題組簡介：課題組長李令杰研究員，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)與遺傳發(fā)育學(xué)系/上海市生殖醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組長，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椤案杉?xì)胞分化發(fā)育與疾病的表觀遺傳調(diào)控”，目前的研究專注于皮膚分化發(fā)育的表觀基因組調(diào)控以及再生醫(yī)學(xué)研究。李令杰研究員在干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)以及表觀基因組學(xué)領(lǐng)域積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)并取得多項(xiàng)重要成果，在Cell Stem Cell, Cell Reports, PNAS，Brief Bioinform，eLife等雜志發(fā)表十多篇論文。研究成果獲得過教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、上海市自然科學(xué)三等獎(jiǎng)、第64屆國際皮膚生物學(xué)年會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)（64th Annual Montagna Symposium on the Biology of Skin, Travel Award for Young Investigators）等多項(xiàng)榮譽(yù)。實(shí)驗(yàn)室研究工作目前獲得國家科技部、自然基金委、上海市科委以及高層次人才計(jì)劃等基金資助。本課題組致力于干細(xì)胞分化發(fā)育與疾病的表觀遺傳調(diào)控研究。現(xiàn)因科研工作需要面向海內(nèi)外招聘博士后及實(shí)驗(yàn)技術(shù)員，從事基因組學(xué)以及干細(xì)胞生物醫(yī)學(xué)研究，熱忱歡迎青年才俊聯(lián)系加入課題組。（實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁：http://dripwizz.com/cbms/info/1063/4066.htm;電子郵箱：[email protected]）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/bib/bbad166
