高通通量表觀基因組分析技術(shù)可用于闡明大腦中細(xì)胞復(fù)雜性的基因調(diào)控程序。5'-甲基胞嘧啶 (5mCs)是哺乳動物基因組中最常見的修飾堿基，大多數(shù)5mCs發(fā)生在胞嘧啶-鳥嘌呤二核苷酸（CpGs）上。CG差異甲基化區(qū)域 (DMRs)通常是順式調(diào)控元件（CREs）的標(biāo)志。在脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)中，5mCs也在非CpG（或CH，H=A、C或T）中被大量檢測到。CG和CH甲基化（mCG和mCH）在大腦發(fā)育過程中高度動態(tài)變化，并表現(xiàn)出細(xì)胞類型特異性。mCG和mCH對于基因調(diào)控和大腦功能至關(guān)重要。因此基因調(diào)控需要適當(dāng)?shù)娜旧�質(zhì)折疊3D構(gòu)象，這些構(gòu)象被組織成活性（A）或抑制性（B）區(qū)、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TADs）和染色質(zhì)環(huán)（chromatin loops）。這些3D結(jié)構(gòu)促進(jìn)了基因啟動子與其調(diào)控元件之間的互作，提供了額外但關(guān)鍵的調(diào)控機(jī)制層面。DNA甲基化與染色質(zhì)構(gòu)象互作，且過程高度相關(guān)�；�于高通量表觀基因組分析技術(shù)對大腦細(xì)胞的表觀基因組表征分析可以加深對人類大腦的復(fù)雜性基因調(diào)控的理解。
 
2023年10月13日，索爾克生物研究所Joseph R. Ecker團(tuán)隊聯(lián)合其他團(tuán)隊研究人員在《科學(xué)》（SCIENCE）雜志上發(fā)表了“Single-cell DNA methylation and 3D genome architecture in the human brain”研究論文，通過使用單核表觀基因組測序技術(shù)，全面分析成年人類大腦皮層和亞皮層區(qū)域中的DNA甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象，展示了人類大腦的單細(xì)胞DNA甲基化和3D基因組結(jié)構(gòu)圖譜，闡明了整個大腦中細(xì)胞的細(xì)胞類型特異性和不同的表觀遺傳結(jié)構(gòu)。
 

研究摘要：
闡明復(fù)雜細(xì)胞類型的基因調(diào)控程序?qū)τ诶斫饨】岛图膊≈械拇竽X功能至關(guān)重要。本研究通過在3個成年男性大腦的46個區(qū)域?qū)?17k個細(xì)胞（399k神經(jīng)元和118k非神經(jīng)元）中以單細(xì)胞分辨率的DNA甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象來全面描繪人腦細(xì)胞表觀基因組譜。研究共鑒定出188種細(xì)胞類型并表征其分子特征。綜合分析揭示了DNA甲基化、染色質(zhì)可及性、染色質(zhì)組織和跨細(xì)胞類型，皮質(zhì)區(qū)域和基底神經(jīng)節(jié)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)在細(xì)胞類型、皮層區(qū)域和基底神經(jīng)節(jié)結(jié)構(gòu)中的一致變化。進(jìn)一步開發(fā)了使用靶向基因組位點的甲基化狀態(tài)可靠預(yù)測腦細(xì)胞類型的scMCodes方法。這種多模式表觀基因組腦細(xì)胞圖譜為成人大腦中細(xì)胞類型特異性基因調(diào)控的復(fù)雜性提供了新的見解。

小編就本文中的DNA甲基化研究內(nèi)容進(jìn)行解讀分享。
 
甲基化研究思路

樣本：
517k 細(xì)胞（399k 神經(jīng)元和 118k 非神經(jīng)元），來自 3 個成年男性大腦的 46 個區(qū)域
技術(shù)：

1. snmC-seq3（mC） 在單細(xì)胞水平上分析所有 46 個大腦區(qū)域的 DNA 甲基化 （DNAm）
2. single-nucleus methylation sequencing單核亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化的甲基胞嘧啶測序方法
3. snm3C-seq（m3C） 檢測單細(xì)胞 DNA 甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象

研究結(jié)果
（1）基于表觀基因組的腦細(xì)胞類型分類法
解剖了46個大腦區(qū)域，包括大腦皮層（CX，22個區(qū)域）、基底前腦（BF，2個區(qū)域）、基底核（BN，11個區(qū)域）、海馬體（HIP，5個區(qū)域）、丘腦（THM，2個區(qū)域）、中腦（MB，1個區(qū)域）、腦橋（PN，1個區(qū)域）和小腦（CB，2個區(qū)域）（圖1A）。大多數(shù)區(qū)域設(shè)置三個成年男性供體的三個生物學(xué)重復(fù)，兩個杏仁核區(qū)域除外（BM和CEN，各兩個重復(fù)）。熒光激活細(xì)胞核分選（FANS）用于分離每個樣品中90%的NeuN陽性細(xì)胞和10%的NeuN陰性細(xì)胞。然后使用snmC-seq3（“mC”）在單細(xì)胞水平上分析所有46個大腦區(qū)域的DNA甲基化（DNAm）。此外利用snm3C-seq（“m3C”）同時分析CX、BF和BN的17個大腦區(qū)域的單細(xì)胞DNA甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象。經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)控，共378940 mC和145070 m3C細(xì)胞核用于進(jìn)一步分析。每個mC細(xì)胞核平均產(chǎn)生0.94M過濾reads，而每個m3C核產(chǎn)生約2.2M reads和406k個染色質(zhì)可及性。這樣的數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠可靠地分析各種基因組特征上的DNAm，鑒定可變甲基化區(qū)域，并精確定位不同大腦細(xì)胞類型的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（TADs）和染色質(zhì)環(huán)。
 

圖1：使用snmC-seq3和snm3C-seq技術(shù)對人類大腦細(xì)胞進(jìn)行表觀基因組分析。
A. 人類大腦結(jié)構(gòu)和區(qū)域覆蓋。
B. snmC-seq3和snm3C-seq的分析模式圖。
C. 人腦核的迭代聚類和注釋： 使用t-SNE技術(shù)對整個mC數(shù)據(jù)集、抑制性/非端腦神經(jīng)元細(xì)胞類以及SubCtx-Cplx主要類型的細(xì)胞進(jìn)行可視化，根據(jù)相應(yīng)迭代中注釋的細(xì)胞組著色。
D. 主要類型的穩(wěn)健樹狀圖和亞型數(shù)量、大腦結(jié)構(gòu)和供體來源的meta信息。
E. SubCtx-Cplx主要類型的興奮性和抑制性標(biāo)記（SLC17A1和GAD1）的CH甲基化水平。
F. 按解剖區(qū)域著色的人類大腦細(xì)胞。
G. snm3C-seq分析的人腦核的2D可視化。
H. 大腦細(xì)胞類型間整體CG-和CH甲基化變化。
I. 整體DNA甲基化與MECP2和DNMT1基因表達(dá)的相關(guān)性。

通過對mC數(shù)據(jù)集進(jìn)行迭代聚類（iterative clustering），前腦分化出了最前端的端腦（telencephalon）和緊隨其后的間腦（diencephalon），后腦分裂出了后腦（metencephalon）和最末端的末腦（myelencephalon），中腦還是中腦，沒有進(jìn)一步分裂。
細(xì)胞類型通過神經(jīng)細(xì)胞的CH位點的低甲基化基因標(biāo)記，和非神經(jīng)細(xì)胞的CG位點的低甲基化標(biāo)記區(qū)分（之前提到在脊椎動物神經(jīng)元系統(tǒng)中，5mCs 在非 CG（或 CH，H=A、C 或 T）背景下也能被大量檢測到）
盡管在不同供體中某些細(xì)胞類型的比例略有不同，但所有major types和subtypes的分類都是一致的
樹枝圖顯示了主要類型和亞型之間的關(guān)系。端腦興奮性神經(jīng)元和抑制性/非端腦神經(jīng)元與非神經(jīng)元細(xì)胞很好地區(qū)分開來，每種類型都形成了一個特定的支系，但 CB 和 PKJ 與非神經(jīng)元細(xì)胞類型歸為一類，這可能是由于它們的整體 CG- 甲基化和 CH-甲基化程度相似。

分析結(jié)果表明：

1. 378940 mC和145070 m3C細(xì)胞核被證實可檢測跨基因組特征的DNAm；
2. 通過對mC數(shù)據(jù)集的迭代聚類，首先將細(xì)胞核分為端腦興奮性神經(jīng)元、抑制性/非端腦神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞（40種主要類型和188種亞型）；
3. 根據(jù)神經(jīng)元細(xì)胞的CH低甲基化基因標(biāo)記物和非神經(jīng)元細(xì)胞的CG低甲基化標(biāo)記物對細(xì)胞類型進(jìn)行注釋。
4. 整體甲基化水平在主要類型之間有所差異：mCG為77.7%-85.5%，mCH為0.8%-10.7%。
5. 非神經(jīng)元和顆粒細(xì)胞（DG和CB）的主要類型在mCG和mCH的整體評分最低。
6. 皮層抑制性神經(jīng)元具有最高的mCG水平，而丘腦、中腦和腦橋的某些非端腦神經(jīng)元表現(xiàn)出最高的mCH水平。
7. 細(xì)胞類型的整體甲基化與DNA甲基化reader和修飾因子的基因表達(dá)相對應(yīng)。
8. 主要mCH reader MECP2表達(dá)與整體mCH呈正相關(guān)（皮爾遜相關(guān)系數(shù)，PCC=0.39），與mCG弱相關(guān)（PCC=0.17）。
9. DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1在其表達(dá)與mCG之間呈強(qiáng)正相關(guān)（PCC=0.63），且DNMT1表達(dá)與mCH相關(guān)性更高（PCC=0.72）。
10. DNMT1與mCH之間可能存在某種尚未被發(fā)現(xiàn)的相關(guān)性。

（2）基因組組織與其他分子模式之間的關(guān)系
作者研究不同3D結(jié)構(gòu)特征與其他表觀基因組模式（mCG、mCH和開放染色質(zhì)）之間的相關(guān)性。研究結(jié)果揭示了在所有神經(jīng)細(xì)胞類型中，mCG和mCH都與三維基因組組織呈負(fù)相關(guān)，但與染色質(zhì)開放性存在正相關(guān)的關(guān)系，表明DNA甲基化可能促進(jìn)CTCF和cohesin。
 

圖2-I：在所有基因（左）或僅最高差異表達(dá)基因（DEGs）（右）的所有主要類型中，區(qū)室得分、邊界概率或環(huán)互作強(qiáng)度與ATAC信號、bin的mCG和mCH分?jǐn)?shù)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（PCC）。

在DNAm和三維基因組結(jié)構(gòu)之間觀察到的負(fù)相關(guān)性可能是由于DNAm對驅(qū)動基因組折疊的因子（如CTCF）的結(jié)合產(chǎn)生了影響，通過高階結(jié)構(gòu)的形成招募或排除了甲基化寫入因子或清除因子（如DNMTs和TETs），或者是甲基化和基因組組織的共同調(diào)控因子。
 

圖2-J：使用所有基因（左）或最高DEG（右）的所有主要類型中不同類別的重疊（x軸），隔室得分、邊界概率或環(huán)互作強(qiáng)度和基因表達(dá)之間的PCC。

結(jié)果表明：

• 基因表達(dá)也與三維（3D）基因組結(jié)構(gòu)相關(guān)，特別是對于細(xì)胞類型特異性基因。
• 在所有神經(jīng)元主要類型中，1099（1,358）個最高差異表達(dá)基因（DEGs）與其基因體或啟動子重疊的所有三個結(jié)構(gòu)特征顯示出強(qiáng)烈的正相關(guān)性�；�因表達(dá)和/或區(qū)塊結(jié)構(gòu)信號的變異性增加與它們之間更高的正相關(guān)性相關(guān)聯(lián)，這證實了差異結(jié)構(gòu)特征和差異基因表達(dá)之間的重疊。
• 這些（負(fù)）相關(guān)性表明，活性區(qū)、強(qiáng)結(jié)構(gòu)域和環(huán)路相互作用以及開放染色質(zhì)和甲基化耗竭之間存在協(xié)調(diào)關(guān)系，與活性染色質(zhì)狀態(tài)相對應(yīng)。
• 所有細(xì)胞類型之間的相關(guān)性普遍弱于神經(jīng)元單獨存在的相關(guān)性。

（3）細(xì)胞類型特異性DNA甲基化模式和相關(guān)基因調(diào)控譜：CG和CH甲基化與染色質(zhì)構(gòu)象的整合揭示了不同的細(xì)胞類型調(diào)控動動態(tài)
為了描繪細(xì)胞類型特異性的甲基化譜，作者在188種大腦細(xì)胞亞型中鑒定了24455個CH型和13096個CG型差異甲基化基因（CG-DMGs）以及2059466個CG型差異甲基化區(qū)域（CG-DMRs）（圖3A）。除了為腦細(xì)胞身份提供獨特的表觀遺傳標(biāo)記外，這些甲基化模式還提供了關(guān)鍵的見解，以理解腦細(xì)胞中的基因調(diào)控程序�；�因體甲基化與基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，DMRs作為潛在的順式調(diào)控元件（CREs），且轉(zhuǎn)錄因子（TF）motif暗示了候選的細(xì)胞類型特異性調(diào)控因子。
如果是低甲基化DMGs，且其motif在相同細(xì)胞類型的低甲基化DMRs（hypo-DMRs）中富集，就將TFs分配給特定的細(xì)胞類型�？偣灿�612個TFs被分配到主要的神經(jīng)元類型和亞型中，它們可能在塑造和維持細(xì)胞身份方面發(fā)揮重要角色。例如，TBR1被分配到深層興奮性神經(jīng)元，特別是L6-CT和L6b（圖3B），并注意到它在皮質(zhì)外向投射神經(jīng)元的發(fā)育中起著決定命運(yùn)的作用。ZNF423和EBF2都被分配到小腦細(xì)胞類型（圖3B）。兩者對小腦的發(fā)育至關(guān)重要，而EBF2尤其介導(dǎo)Purkinje細(xì)胞的遷移。

進(jìn)一步分析亞型突出了TF利用的變化。例如TF PBX3，TF PBX3屬于紋狀體中普遍存在的MSN-D1主要類型，僅在紋狀體區(qū)室的亞型中被低甲基化，而在紋狀體的基質(zhì)區(qū)室中沒有被低甲基化，這表明 PBX3 更傾向于在紋狀體中表達(dá)，印證了之前的觀察結(jié)果。對 PBX3 的潛在結(jié)合位點（具有 PBX3 motif的hypo-DMRs）的進(jìn)一步研究表明，紋狀體亞型的平均甲基化分?jǐn)?shù)較低，表明這個TF在紋狀體中具有特定室的調(diào)控作用。

整合差異甲基化基因（DMGs）、差異甲基化區(qū)域（DMRs）和差異環(huán)（differential loops）來精確定位每種細(xì)胞類型的潛在順式調(diào)控元件（CREs）（圖3C）。如果一個基因的轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）位于DMR的5 Mb范圍內(nèi)，那么這個基因就被認(rèn)為是與DMR相關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步細(xì)化保留與環(huán)或差異環(huán)（DL）的兩個錨點重疊的DMR-DMG對。計算不同細(xì)胞亞型中DMR的mCG分?jǐn)?shù)與基因體的mCH分?jǐn)?shù)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（PCC）來評估這種關(guān)聯(lián)。特別對于經(jīng)過DL篩選的DMRs，觀察到了增強(qiáng)的相關(guān)性（圖3D），這些DMRs也顯示出與開放染色質(zhì)區(qū)域的重疊增加（圖3E）。在1122919個DMRs和12327個基因之間鑒定出3.2M潛在的調(diào)控性DMR/基因?qū)�。這些DMRs、DMGs的甲基化分?jǐn)?shù)以及它們互作強(qiáng)度（環(huán)）呈現(xiàn)出（負(fù)）相關(guān)性（圖3F），這些因素共同協(xié)調(diào)特定的基因調(diào)控程序。例如，編碼突觸結(jié)合蛋白-1（Synaptotagmin-1）的基因SYT1，在L2/3-IT神經(jīng)元中展現(xiàn)出較低的遠(yuǎn)端DMRs和SYT1基因體的甲基化分?jǐn)?shù)，并且與DMRs和啟動子之間的相互作用比MSN-D1神經(jīng)元更強(qiáng)（圖3G），導(dǎo)致SYT1在L2/3-IT中的表達(dá)高于MSN-D1（圖3G）�？傮w而言，CG和CH甲基化與染色質(zhì)構(gòu)象的整合揭示了不同細(xì)胞類型的調(diào)控動態(tài)。

通過全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）確定了許多與腦部疾病相關(guān)的非編碼位點，其中很多位于增強(qiáng)子區(qū)域。DMRs和loops有助于將這些遺傳變異定位到特定細(xì)胞類型的調(diào)控元件上。使用連鎖不平衡得分回歸（LDSC）方法，檢測到20種腦部疾病或性狀與人類大腦細(xì)胞中的DMRs或與環(huán)重疊的DMRs之間的關(guān)聯(lián)（圖3H）。精神分裂癥、雙相情感障礙和神經(jīng)質(zhì)風(fēng)險變異在皮質(zhì)和海馬體的興奮性神經(jīng)元的低甲基化DMRs中顯著富集，而阿爾茨海默�。ˋD）與小膠質(zhì)細(xì)胞（MGC；圖3H）相關(guān)。煙草使用障礙變異與基底節(jié)的Foxp2細(xì)胞類型相關(guān)（圖3H），這是一個與煙草成癮相關(guān)的區(qū)域。對疾病風(fēng)險變異的進(jìn)一步探索揭示了對基因調(diào)控的多樣化影響。盡管許多細(xì)胞類型與相同的疾病有關(guān)，但它們所涉及的風(fēng)險變異可能多樣。例如，精神分裂癥風(fēng)險變異rs2789588在L2/3-IT和L6-CT神經(jīng)元中都有所涉及，具有相似的表觀遺傳特征，但rs17194490僅在L2/3-IT中涉及，與相應(yīng)基因的特定DNA低甲基化、更強(qiáng)的長距離相互作用和與L6-CT相比更高的基因表達(dá)相關(guān)。
 

圖3：大腦細(xì)胞中的基因調(diào)控

（4）人、鼠腦細(xì)胞類型和DMR的保守性
研究人員分析了靈長類動物（人類）和嚙齒類動物（小鼠）之間在大腦細(xì)胞類型上的保守性。通過比較人類和小鼠的單核DNA甲基化圖譜，范圍覆蓋大腦皮層、基底前腦、基底核和海馬體等相應(yīng)區(qū)域。整合分析表明，人類大腦中定義的三種主要類型與小鼠腦細(xì)胞不一致（圖5A），小鼠L4-IT神經(jīng)元只對應(yīng)于人類L4-IT神經(jīng)元亞群（圖5B），證實了人類L4-IT神經(jīng)元中存在更大的異質(zhì)性。人類海馬體中的HIP-Misc1神經(jīng)元與一些小鼠皮層IT神經(jīng)元整合，而HIP-Misc2神經(jīng)元與任何小鼠細(xì)胞類型均不對應(yīng)。平行snRNA數(shù)據(jù)集驗證了這兩種人類海馬體細(xì)胞類型（圖5C）。盡管未匹配的細(xì)胞類型需要進(jìn)一步研究，但主要類型的分類在人類和小鼠之間更廣泛的大腦區(qū)域通常是保守的（圖5A），而對于相應(yīng)的細(xì)胞類型，人類的整體CG和CH甲基化水平始終高于小鼠（圖5D）。

為了比較人腦和小鼠大腦之間的基因調(diào)控，研究者使用liftOver匹配在單個物種內(nèi)鑒定的主要類型低甲基化差異區(qū)域（hypo-DMRs）（圖5E）�？缂�(xì)胞類型的40~60%的hypo-DMRs在另一種物種中具有同源序列（將這些DMRs稱為OrthSeqs）。大約一半的OrthSeqs在另一種物種中的同源物也是hypo-DMRs（OrthDMRs）。大多數(shù)（95%）OrthDMRs相互匹配（CnsvDMRs；圖5F）。CnsvDMRs的甲基化分?jǐn)?shù)在人鼠細(xì)胞類型間顯示出顯著的相關(guān)性（圖5, G和H），表明功能在物種間保守。

研究者進(jìn)一步選擇了相關(guān)性最高的DMRs（hcCnsvDMRs，圖5G）。hcCnsvDMRs的功能富集分析表明，它們在與前腦發(fā)育相關(guān)的生物過程和與樹突和突觸相關(guān)的細(xì)胞組分中富集（圖5F和G）。與小鼠前腦的組蛋白修飾比較表明，這些DMRs在異染質(zhì)區(qū)域（H3K9me3）中缺失，在增強(qiáng)子（H3K27ac和H3K4me1）、啟動子（H3K4me3）和poised增強(qiáng)子（H3K27me3）區(qū)域中富集。根據(jù)染色質(zhì)可及性將hcCnsvDMRs進(jìn)一步分類為開放或關(guān)閉狀態(tài)，結(jié)果表明開放DMRs在增強(qiáng)子和啟動子中富集。而關(guān)閉的DMRs在poised增強(qiáng)子中特別富集（圖5I），這些增強(qiáng)子可能在發(fā)育過程中活躍。

物種間的甲基化保守性暗示了通過比較表觀遺傳學(xué)發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)子的策略。例如，Pvalb神經(jīng)元的特定基因INPP5J，有許多遠(yuǎn)端和近端的hcCnsvDMRs與匹配的染色質(zhì)可及區(qū)域重疊（圖5J），包括兩個被驗證為小鼠Pvalb神經(jīng)元病毒靶向的特定增強(qiáng)子（圖5J）。
 

圖5：人類和小鼠大腦細(xì)胞甲基化組的跨物種比較。

A. 2D t-SNE可視化人類和小鼠大腦之間的單細(xì)胞甲基組化整合。
B. L4-IT、HIP-Misc1和HIP-Misc2細(xì)胞類型中，人類和小鼠大腦的細(xì)胞類型差異。
C. TF TSHZ2在HIP-Misc1和HIP-Misc2細(xì)胞類型中，CH低甲基化和基因表達(dá)。
D. 人類和小鼠之間保守細(xì)胞類型的整體mCH和mCG相關(guān)性。
E. 跨物種匹配細(xì)胞類型DMRs示意圖。
F. 大約50%的DMRs在另一個物種中具有同源序列，其中約25%是相互對應(yīng)的DMRs。
G. 跨物種DMR甲基化相關(guān)性分布（紅色）和隨機(jī)背景（黑色）。
H. hcCnsvDMRs的甲基化分?jǐn)?shù)示例。
I. hcCnsvDMRs在組蛋白修飾標(biāo)記中的富集情況。
J. 在Pvalb主要類型中，圍繞INPP5J基因的hcCnsvDMRs的瀏覽器視圖。
 
（5）單細(xì)胞甲基化條形碼 （scMCodes） 可靠地預(yù)測人腦細(xì)胞身份。
細(xì)胞基因組中的DNA甲基化變化包含了代表過去和現(xiàn)在基因調(diào)控事件的分子“印記”，許多CpG位點上大腦細(xì)胞類型的DNA甲基化模式具有高度特異性。為此，作者設(shè)計了單細(xì)胞甲基化條碼（scMCodes），通過選定CpG位點的甲基化狀態(tài)來確定單個細(xì)胞水平上的大腦細(xì)胞類型（圖6A）。

首先通過迭代選擇區(qū)分大腦細(xì)胞類型的CpG位點，然后根據(jù)其在不同細(xì)胞類型間的甲基化模式，將這些位點進(jìn)一步聚類成39k個群體。接著通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型交叉驗證評估了它們的細(xì)胞類型預(yù)測能力，最終選擇800個群體共12000個CpG位點作為scMCodes（圖6B和C），以在保持特征數(shù)最小化同時實現(xiàn)良好的預(yù)測能力。這些scMCodes達(dá)到約93%的準(zhǔn)確率（圖6D）。
在本研究的三個供體和一個外部個體之間進(jìn)行了跨供體測試。結(jié)果顯示高預(yù)測準(zhǔn)確率（92~96%；圖6E），證明了scMCode方法在跨個體上的穩(wěn)健性。單細(xì)胞測序的基因組覆蓋有限，平均每個細(xì)胞中只檢測到約200個scMCodes的CpG位點（圖6F），強(qiáng)調(diào)了scMCode使用少數(shù)選定的甲基化位點來確定人類大腦細(xì)胞類型的scMCode方法有效性。
 

圖6：大腦細(xì)胞類型的snMCodes。

A. snMCodes的工作流程。
B. 來自所有三位供體的snMCodes。
C. snMCode特征的細(xì)胞類型特異性示例。
D. snMCodes在預(yù)測細(xì)胞類型時的混淆矩陣熱圖。
E. 跨供體測試中的細(xì)胞類型預(yù)測準(zhǔn)確率。
F. snMCodes能夠在單細(xì)胞分辨率下使用有限數(shù)量的CpG位點預(yù)測人類細(xì)胞類型

Discussion
研究人員編制了一個全面的單細(xì)胞DNA甲基化和人類大腦3D基因組結(jié)構(gòu)圖譜，并比較了不同大腦區(qū)域相同細(xì)胞類型的表觀遺傳多樣性。DNA甲基化（DNAm）中編碼的復(fù)雜調(diào)控信息使我們能夠提煉出一組單細(xì)胞甲基化條碼（scMCodes），用于可靠的細(xì)胞類型識別。鑒于循環(huán)游離DNA（cfDNA）甲基化已被認(rèn)定為癌癥診斷的有力工具，并且為腦部疾病提供了有希望的生物標(biāo)志物。

研究通過單細(xì)胞分析技術(shù)揭示的DNA甲基化模式在理解和分類大腦細(xì)胞類型中的重要性。研究人員利用這些信息開發(fā)了scMCodes，可以在單細(xì)胞水平上準(zhǔn)確地鑒定和分類細(xì)胞類型。此外，cfDNA中的甲基化模式的研究不僅在癌癥診斷中顯示出潛力，也為腦部疾病的生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)提供了新的方向。這些發(fā)現(xiàn)可能對開發(fā)新的診斷方法和治療策略具有重要意義。
 
參考文獻(xiàn)：
Tian W, Zhou J, Bartlett A, Zeng Q, Liu H, Castanon RG, Kenworthy M, Altshul J, Valadon C, Aldridge A, Nery JR, Chen H, Xu J, Johnson ND, Lucero J, Osteen JK, Emerson N, Rink J, Lee J, Li YE, Siletti K, Liem M, Claffey N, O'Connor C, Yanny AM, Nyhus J, Dee N, Casper T, Shapovalova N, Hirschstein D, Ding SL, Hodge R, Levi BP, Keene CD, Linnarsson S, Lein E, Ren B, Behrens MM, Ecker JR. Single-cell DNA methylation and 3D genome architecture in the human brain. Science. 2023 Oct 13;382(6667):eadf5357. doi: 10.1126/science.adf5357. PubMed PMID: 37824674.