单细胞多组学 | scATAC+scRNA联合检测揭示ecDNA驱动原癌基因表达
2020年12月，ATAC测序技术创始人——斯坦福大学教授Howard Chang在bioRxiv发表，利用最新的10x Genomics单细胞ATAC+转录组联合检测，发现染色体外DNA枢纽（EcDNA hubs）对原癌基因表达的重要作用。接下来跟着小编一起来挖掘单细胞多组学的研究思路吧。
摘要
染色体外DNA (ecDNAs)在人类癌症中普遍存在，可通过增加拷贝数和改变基因调控介导高致癌基因表达，包括接触和激活同一染色体上基因远端增强子DNA元件。本研究利用单细胞ATAC+转录联合检测，单分子测序和Chip-seq揭示了ecDNA在没有转录的情况下持续存在，并促使癌基因结构多样化，具有和DNA相互作用的能力。而ecDNA枢纽，主要通过蛋白质平台进行协同转录，可作为癌基因功能、协同进化和癌症治疗新靶点的单位。
研究结果
01
ecDNA中心是癌基因转录
的主要位置
利用DNA FISH技术发现，ecDNA在活细胞中是动态变化的，可以随着时间移动并改变形态。与DNA FISH研究中固定的细胞相比，ecDNA在活细胞中空间上更紧凑，可能是由于TetO阵列没有整合所有的ecDNA分子，以及在DNA FISH期间变性引起了电位差。这些结果表明，ecDNA聚类发生在具有不同癌基因扩增的各种癌症类型中。当同一细胞中以ecDNA枢纽的形式出现更多的拷贝时， ecDNA分子更有可能转录癌基因。02
单细胞共变异识别与癌基因表达
相关的ecDNA增强子
利用单细胞ATAC+转录联合检测的方法，对结直肠癌细胞系72,049个细胞进行测序，发现原癌基因MYC的基因表达和染色质可及性都表现出明显的细胞异质性。对高表达MYC基因的细胞重新分析，发现MYC基因的表达与染色质可及性有较高的一致性，细胞中与MYC表达相关的调控元件的异质性活性可能是ecDNA的一个独特特征。表明不同的增强子活性是ecDNA癌基因表达细胞异质性的关键。
03
增强子和启动子之间的互作驱动
ecDNA的多样性和原癌基因的表达
通过单分子基因组测序以及HiCHIP实验，发现了ecDNA一级序列的广泛多样性，包括可以预测限制顺式细胞与远端调控元件接触的结构变异。而稳定的转录与ecDNA中增强子的组合使用有关。ecDNA分子在空间上的互作，可以实现载体基因的稳定转录。
04
BET蛋白介导ecDNA枢纽的形成和转录
利用CHIP-seq，ATAC-seq和全基因组测序分析与MYC表达相关的调控原件，发现BET蛋白的h3k27ac互作是ecDNA聚类的必要条件，ecDNA枢纽形成过程中对BET蛋白具有独特的依赖性，ecDNA枢纽破坏会导致MYC癌基因转录抑制和带有ecDNA分子癌细胞的死亡。
研究结论
此项研究中发现癌细胞中携带ecDNA癌基因的细胞与对应的转录高表达具有很强的共定位性，这种ecDNA的局部聚集促进了新的增强子-启动子相互作用和癌基因表达。在癌基因驱动的程序中，这些增强子在分子间的不同结合促进了细胞间的异质性。此发现对人类了解ecDNA的重新连接如何促进癌基因转录和癌细胞异质性具有深远的意义。
