¿Cuáles son las ventajas de la secuenciación unicelular, una tecnología basada en Qualcomm?
El 6 de junio de 2017, el grupo de investigación de Tang Fuqiao en el Centro de Imágenes Ópticas Biodinámicas de la Facultad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Pekín, publicó en línea en la revista Cell Research el título "Polimorfismo multicelular unicelular de Embriones tempranos de ratón y células madre embrionarias". Trabajo de investigación "Omics Sequencing". Por primera vez en el mundo, se desarrolló una tecnología de secuenciación del genoma completo (COOL-seq unicelular) para analizar simultáneamente el estado de la cromatina, la metilación del ADN, la variación del número de copias del genoma y la ploidía cromosómica en una sola célula, y se utilizó esta tecnología para resolver unicelular Realizamos un análisis sistemático y en profundidad de las características clave de la reprogramación del epigenoma durante el desarrollo embrionario previo a la implantación del ratón y la interacción entre el estado de la cromatina y la metilación del ADN. ?
Los métodos de investigación existentes basados en secuenciación de alto rendimiento para analizar el estado de la cromatina de todo el genoma generalmente requieren una gran cantidad de células (como ATAC-seq, DNase-seq, FAIRE-seq, MNase-seq , etc.). Incluso si estos métodos pueden lograr una resolución unicelular, no pueden estudiar las interacciones entre varias ómicas con una resolución unicelular. Sin embargo, el grupo de investigación de Tang Fuqiu combinó inteligentemente la tecnología NOMe-seq (posicionamiento de nucleosomas en todo el genoma y secuenciación de metilación del ADN) con la tecnología PBAT-seq, y optimizó y mejoró el sistema para lograr el mismo análisis de células individuales. Características genómicas y epigenómicas. ? Utilizando este método scCOOL-seq recientemente establecido, el grupo de investigación describió sistemáticamente los cambios dinámicos del epigenoma de múltiples niveles durante el desarrollo embrionario previo a la implantación del ratón con resolución unicelular. El estudio encontró:
Dentro de las 12 horas posteriores a la fertilización, los pronúcleos masculinos y femeninos de óvulos y espermatozoides altamente especializados se someten a una desmetilación genómica masiva. Durante este proceso, el estado de cromatina del genoma parental se abre rápidamente, alcanzando un estado muy abierto en la etapa pronuclear del óvulo fertilizado. Luego, la apertura de la cromatina cae bruscamente en las últimas etapas del óvulo fertilizado y aumenta gradualmente después de la 2-. Etapa celular, y alcanza un estado de alta apertura en la etapa de blastocisto. El punto más alto. ?
Se analizó por primera vez la heterogeneidad de los estados de la cromatina durante el desarrollo embrionario previo a la implantación en ratones utilizando un sistema de resolución unicelular. Se descubrió que dentro de las 12 horas posteriores a la fertilización, las regiones promotoras de la mayoría de los genes en el óvulo fertilizado fueron rápidamente reprogramadas desde un estado apagado uniforme a un estado encendido uniforme, preparándose para la transcripción posterior de los genes del óvulo fertilizado. ?
Se demostró por primera vez en resolución unicelular que mantener el estado abierto de los promotores de la mayoría de los genes en embriones tempranos requiere una transcripción continua. El estado abierto de la cromatina y la actividad transcripcional se promueven mutuamente para mantener la actividad transcripcional. Estabilidad de genes cigóticos. ?
Se descubrió que los sitios de unión del gen objetivo de Oct4, el factor central de la pluripotencia, están abiertos en la etapa de 4 células, mucho antes que la etapa de blastocisto, cuando la pluripotencia está realmente establecida, lo que sugiere que estos sitios sirven como posibles elementos reguladores cis, pueden estar involucrados en el proceso de determinación del destino de las células embrionarias tempranas. ?
Por primera vez se ha analizado en profundidad el estado de la cromatina y la metilación del ADN del genoma parental en células individuales. Se descubrió que el estado de la cromatina y la metilación del ADN se reprograman de forma asincrónica después de la fertilización, y el estado de la cromatina del genoma parental se reprograma rápidamente para alcanzar un equilibrio preciso en cada célula y se mantiene. La metilación del ADN se reprograma lentamente y permanece distribuida asimétricamente entre los genomas parentales. ?
Las similitudes y diferencias en la metilación del ADN del cromosoma X parental y la reprogramación del estado de la cromatina en células embrionarias femeninas se analizaron por primera vez con resolución unicelular. Los resultados mostraron que después de la fertilización, la velocidad de reprogramación de la metilación del ADN del cromosoma X paterno inactivo en embriones femeninos era significativamente más lenta que la del cromosoma X materno activo, y la diferencia de metilación del ADN entre los dos desapareció gradualmente hasta la etapa tardía del blastocisto. Sin embargo, en los embriones femeninos, el cromosoma X parental se reprograma rápidamente y el equilibrio preciso de los estados de cromatina entre los cromosomas X parentales se mantiene durante todo el período previo a la implantación. ?
Se ha revelado por primera vez la heterogeneidad del epigenoma del desarrollo embrionario previo a la implantación en ratones a nivel unicelular. Después de la fertilización, los genes con una fuerte heterogeneidad en la metilación del ADN en sus regiones promotoras y los genes con una fuerte heterogeneidad en el estado de la cromatina son dos tipos diferentes de genes. Esto sugiere que la heterogeneidad en el estado de la cromatina y la metilación del ADN durante el desarrollo embrionario del ratón previo a la implantación pueden estar regulados por diferentes mecanismos.
?
Por primera vez, el ciclo celular y el estado de la cromatina están vinculados con resolución unicelular, infiriendo con precisión la ploidía y la etapa del ciclo celular de cada célula. Se descubrió que los embriones de ratón utilizan esencialmente el mismo conjunto de sitios de origen de replicación del ADN que las células madre embrionarias durante el desarrollo in vivo. ?
Este estudio describe sistemáticamente la relación precisa entre la metilación del ADN y el estado de la cromatina durante la reprogramación de gametos altamente especializados en cigotos totipotentes después de la fertilización y el desarrollo posterior en embriones pluripotentes, cambios de secuencia, interacciones entre varios niveles ómicos y reprogramación. Procesos de metilación del ADN y estados de cromatina en el genoma parental durante el desarrollo embrionario previo a la implantación. Este trabajo sienta las bases para que las personas continúen estudiando la apertura de la totipotencia y la pluripotencia de las células embrionarias tempranas de mamíferos en el futuro y proporciona nuevas ideas para mejorar la eficiencia de la clonación de células somáticas y el diagnóstico y tratamiento de la displasia embrionaria temprana. ? El becario postdoctoral Guo Fan y los estudiantes de doctorado Lin Li y Li Jingyun del Centro de Ciencias de la Vida de la Facultad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Pekín son los primeros autores de este artículo. El investigador Tang de la Facultad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Pekín y el investigador de la Universidad de Sichuan son los * * * coautores de este artículo. El trabajo de investigación fue completado conjuntamente por la Universidad de Pekín y la Universidad de Sichuan, y contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, el Centro de Innovación de Alta Tecnología de Beijing para el Diagnóstico Genético Futuro y el Centro Conjunto Universidad de Pekín-Tsinghua.