基于单细胞ATAC测序数据的乳腺癌上皮细胞转录因子研究

研究表明,乳腺肿瘤细胞染色质开放区域上的转录因子显著影响乳腺癌患者的临床表型和预后。然而,在单细胞层面,这些调控元件如何调控乳腺癌发生发展尚不明确。为此,本研究从GEO数据库中下载了45 216个正常和肿瘤乳腺组织的单细胞染色质可及性测序(single-cell ATAC sequencing, scATAC-seq)数据,并对其进行了分析。根据标记基因在细胞群的基因活性得分进行细胞类型注释后得到7种乳腺细胞类型。皮尔逊相关性分析表明,肿瘤和正常乳腺样本的上皮细胞存在明显的染色质可及性差异,且乳腺上皮细胞存在高度样本间异质性(PCC=-0.07),暗示其是乳腺肿瘤的主要恶性细胞类型。为了探究正常和恶性乳腺上皮细胞的差异可及性区域中转录因子结合基序的富集情况,在提取上皮细胞群后对4个上皮细胞亚型的特征开放区域进行了转录因子结合基序富集分析。结果表明,恶性乳腺上皮细胞有194个转录因子显著富集(P<0.001),它们可能涉及乳腺肿瘤发展和转移等调控过程。对上皮细胞亚型中富集程度较高的转录因子进行活性分数计算及转录组数据验证,结果进一步显示这些差异调控元件可能与乳腺细胞恶性发展相关。此...     

单细胞转录组测序技术在细胞分类中的应用

多细胞有机体的细胞类型多且复杂,细胞间普遍存在异质性。目前,单细胞转录组测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)技术是一项新兴的研究单个细胞转录水平的技术,其从数千个平行的细胞中生成转录谱,揭示个体细胞基因组的差异性表达,反映细胞间的异质性,从而鉴定出不同细胞类型,形成组织或器官的细胞图谱,在生物和临床医学等领域发挥重要作用。该文在对scRNA-seq测序平台进行阐述和比较的基础上,着重介绍其在神经系统和免疫系统细胞类型探索中的应用,并且总结scRNA-seq与空间转录组技术相结合的研究成果。     

单细胞转录组测序技术及在哺乳动物上的应用

哺乳动物的器官是由多种细胞类型组成,它们通过细胞间的相互作用来发出信号,以维持体内平衡和确保机体发育。传统转录组测序是以大量细胞或组织为研究样本,反映的是细胞总体上转录组特征,不能分析单个细胞的基因表达情况,而单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)技术的发展为揭示单个细胞转录组特征提供了有效方法。本文通过对scRNA-seq平台、scRNA-seq主要技术类型及scRNA-seq在哺乳动物上的应用展开综述。     

单细胞转录组测序技术在动物上的应用研究

细胞是机体最基本的结构组成及功能单位,细胞类型和功能由其整个转录表达谱决定,通过单细胞转录组测序可以获得单个细胞转录表达谱,由此以高精度分辨率鉴定细胞类型、细胞状态以及稀有类型细胞,从而可以在单细胞水平分析细胞动态变化及细胞间的关系,深入解析驱动细胞变化及细胞异常背后的分子细胞机制。随着单细胞测序技术稳定性和测序通量的提高,以及测序成本的降低,其在发育生物学、肿瘤、免疫及疾病等领域被广泛应用,研究对象主要涉及人及模式生物,在动物上的应用研究相对较少。本文主要介绍单细胞转录组测序技术及其生物学应用并综述目前其在动物上的一些开创性研究,以期为今后更好的在动物上应用单细胞转录组测序提供方法参考。     

单细胞转录组测序数据的细胞类型识别方法比较

单细胞转录组测序技术提供单个细胞分辨率的基因表达谱,有助于更准确地揭示细胞异质性。聚类是识别生物组织中细胞类型的主要方法,选择合适的聚类算法可以提升单细胞转录组测序数据分析的性能。本文阐述了k-means、层次聚类(hierarchical clustering, HC)、 Leiden、 SC3、 SCENA、 LAK、 SIMLR和dropClust等8种典型的单细胞聚类算法,在12个带有真实标签的单细胞转录组测序数据集上进行聚类比较分析。采用轮廓系数、 Calinski-Harabasz指数、调整兰德指数、调整互信息、 FMI指数、 V-measure、 Jaccard系数和变异系数等8个评价指标,对8种聚类算法的性能进行分析评价。根据实验结果,发现HC、 SC3、k-means、 SCENA的聚类泛用性与鲁棒性最佳,在大规模数据集上SIMLR算法表现最好;在小规模数据集上Leiden算法表现最好,但是存在依赖邻居节点参数和稳定性低的问题;dropClust算法在泛用性和鲁棒性上最差。此外,8种聚类方法的性能都与数据质量有关,当数据的变异系数较低时,聚类算法的评分指标普遍增高,反...     

基于单细胞转录组分析的造血微环境研究进展

成体造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)是一类主要定居于骨髓,具有自我更新和多向分化潜能的成体干细胞。HSC能够源源不断地产生各谱系成熟血细胞以维持造血系统的动态平衡。HSC功能特性的维持不仅依赖细胞本身的内在调控,还受到其所处的造血微环境或造血龛(hematopoietic microenvironment or hematopoietic niche)中多种成分的影响,因此研究造血微环境对揭示稳态造血调控、HSC体外扩增以及血液系统疾病的发生和发展等具有重要意义。以往研究利用体内成像技术和细胞特异的基因敲除技术,发现了造血微环境中多种细胞、细胞因子以及细胞外基质等成分。但作为一个复杂的三维系统,造血微环境的细胞组成、空间区域划分以及在正常造血维持及应激条件下的作用目前仍有争议。近年来,单细胞组学技术的迅速发展为阐明造血微环境的细胞和分子的异质性提供了新方法,为造血微环境的研究翻开了新的篇章。该文就单细胞转录组测序技术在骨髓微环境研究领域的最新进展进行综述。     

紫背天葵MBW相关调控因子转录组测序分析

为获取紫背天葵(Cynura bicolor)花青素合成相关转录调控因子MBW家族基因,采用二代高通量测序技术进行全转录功能基因组测序后组装,再通过Pfam、Swiss Prot和Nr数据库搜索,共获得138个MBW相关Unigene,分别有42个MYB、67个b HLH、15个b HLH-MYB和14个WD40,其中目前已报道与花青素合成代谢相关的MYB、b HLH、b HLH-MYB和WD40分别为11、33、6和3个。这为进一步研究紫背天葵花青素合成的调控机理和相关基因克隆等奠定基础。     

基于单细胞转录组的视网膜母细胞瘤进展特征分析

视网膜母细胞瘤（retinoblastoma,RB）是婴幼儿最常见的眼内恶性肿瘤。在RB进展过程中的关键致病因素目前尚不十分清楚。因此,识别与RB进展密切相关的基因能为病情诊断及基因治疗提供重要信息。然而,肿瘤组织具有很强的细胞异质性,不同病理状态下的细胞,其功能及基因表达都可能呈现显著的差异。本研究从公共基因表达数据库（gene expression omnibus,GEO）下载了1例4个月肿瘤患者和1例2年患者的肿瘤及癌旁组织的单细胞转录组测序数据,从单细胞水平解析不同患病时长的RB肿瘤转录图谱,鉴定与RB进展有潜在关联的细胞亚群及基因集。结果显示,肿瘤组织与癌旁组织在单细胞转录图谱上具有整体的一致性,但视锥前体G1期细胞群、G2期细胞群以及小胶质细胞群在肿瘤与癌旁组织中的分布比例存在明显差异。进一步分析了这3种细胞群在RB肿瘤进展过程中的作用。研究发现,在RB肿瘤的早期阶段,视锥前体细胞在G1期异常增殖,随着RB肿瘤的进展,视锥前体G2期细胞比例显著增加。同时,RB进展过程的小胶质细胞群差异分析结果显示,主要参与免疫应答的关键基因包括RPL23、B2M、HLA家族基因。本研究可为RB发病机制及进展研究提供更多新视角和数据资源。     

嵌合抗原受体（CAR）-T细胞的单细胞转录组测序研究

CAR-T细胞疗法是一种新兴的肿瘤免疫疗法,目前已经在白血病、骨髓瘤等血液系统肿瘤的治疗中取得显著疗效。由于CAR-T细胞是在体外诱导产生的细胞群体,具有很高的异质性。这种异质性的存在,是影响CAR-T细胞治疗效果的重要因素。本研究通过单细胞转录组测序技术,对基于NKG2D分子识别和第3代CAR-T细胞技术构建的NKG2D/CAR-T细胞进行了转录组学特征的分析。结果表明,通过对比特征基因进行降维聚类,将NKG2D/CAR-T细胞分为12个细胞簇,其特征基因显示NKG2D/CAR-T细胞以幼稚样和中央记忆样细胞亚群为主。不同细胞簇表达基因存在差异,对差异基因进行富集分析发现,这些差异基因富集在病毒侵入细胞、插入宿主细胞DNA并复制、T细胞代谢、增殖、活化及分化等信号通路。     

基于转录组测序分析甜菜夜蛾卵巢细胞离体培养成系进程

【目的】本研究旨在分析甜菜夜蛾Spodoptera exigua蛹卵巢细胞建立细胞系的整个过程,探究细胞由体内到体外培养过程中其基因表达在转录水平的变化,为昆虫体外培养模型的建立提供理论基础。【方法】利用Illumina Hiseq测序平台对甜菜夜蛾蛹卵巢细胞离体培养过程中各阶段的细胞分别进行转录组测序,对获得注释的差异表达基因及其相关信号通路进行分析;通过荧光定量PCR对部分细胞周期相关基因(cycd和cdk4)、调控基因(cdc20,apc1,skp2和mad1)、增殖相关分子标志物(mcm4和pcna)在甜菜夜蛾卵巢细胞离体培养过程中的转录进行验证。【结果】甜菜夜蛾蛹卵巢细胞离体培养过程包括5个阶段:解剖获得离体的卵巢组织,卵巢组织贴壁培养后游离出原代细胞,细胞转化重新具备增殖能力,成功首次传代,以及能够连续传代15代以上建立细胞系。上述5个阶段的细胞经转录组测序、数据组装后共获得46 796条unigenes序列,组装得到序列长度完整性好;转录本unigenes序列拼接长度分布合理,样本碱基Q30均在94%以上。通过KEGG数据库获得注释的unigenes有1 473条,参与细胞过程紧密相关的20条信号通路,其中有92条unigenes在细胞周期信号通路中获得注释。聚类分析表明,在体内处于快速发育状态的卵巢细胞与同样处于增殖状态的细胞系基因表达模式非常接近。原代细胞由短暂停滞生长至成簇细胞的转化关键期,筛选到差异表达基因619个,cdk4在离体培养期表达量显著降低,cycd在细胞转化关键期之后表达量显著升高,cdc20,apc1,skp2和mad1在卵巢组织和细胞系的表达量显著高于原代细胞、转化关键期细胞和首次传代细胞的。从原代细胞至传代后,cycd的表达显著升高8.7倍,显著高于mcm4和pcna的变化水平。【结论】甜菜夜蛾卵巢细胞离体培养过程中5个阶段的细胞转录组测序获得的序列质量符合数据分析的基本要求。筛选获得了甜菜夜蛾蛹卵巢细胞经离体培养过程中的差异表达基因。原代细胞逆转增殖可能与cdk4,cycd,skp2和mad1等细胞周期调控基因表达有关。另外,cycd可作为原代细胞具备传代能力的标志物。     

基于PacBio测序数据的蜜蜂球囊菌转录因子、融合基因及RNA编辑事件的鉴定

【目的】本研究旨在利用已获得的PacBio单分子实时(single molecule real-time, SMRT)测序数据对蜜蜂球囊菌Ascosphaera apis菌丝(AaM)和孢子(AaS)中的转录因子(TF)、融合基因和RNA编辑事件进行鉴定和分析,以期丰富蜜蜂球囊菌的相关信息,并为进一步探究它们的功能提供理论依据。【方法】利用BLASTx工具将AaM和AaS的全长转录本序列比对到Nr, Swiss-Prot和KEGG数据库以获得一致性最高的蛋白序列,再利用hmmscan软件将上述蛋白序列比对到Plant TFdb数据库以获得TF的分类及注释信息。采用TOFU软件中的fusion_finder.py程序进行融合基因的预测,进而分析融合基因的序列和位置信息。使用SAMtools预测AaM和AaS中的RNA编辑事件,再利用ANNOVAR软件对RNA编辑事件进行注释,进而采用相关生物信息学软件对RNA编辑位点基因进行GO功能和KEGG通路注释。【结果】在AaS中共鉴定到17个TF家族的213个TF,其中C2H2家族包含的TF成员最多。在AaM和AaS中分别鉴定到921和510个融合基因,二者共有的融合基因为510个,特有的融合基因分别为411和0个。在AaM和AaS中分别鉴定到547和191次RNA编辑事件,其中AaM中同义单核苷酸突变的数量最多,AaS中非同义单核苷酸突变的数量最多。此外,在AaM中鉴定到12种碱基替换类型,其中发生C->T的RNA编辑事件数量最多,达到158次;在AaS中鉴定到9种碱基替换类型,其中发生C->T和G->T的RNA编辑事件数量最多,均有42次。AaM和AaS中RNA编辑位点基因分别涉及19和24个GO功能条目;此外还能注释到11和20条KEGG通路。【结论】蜜蜂球囊菌的菌丝和孢子中含有丰富的TF、融合基因和RNA编辑位点;转录因子C2H2家族与蜜蜂球囊菌菌丝和孢子的生长发育和细胞活动具有潜在关联;RNA编辑事件的碱基替换类型在蜜蜂球囊菌和其他物种中具有物种特异性;RNA编辑可能在蜜蜂球囊菌菌丝和孢子的生长和代谢中发挥作用。     

小鼠内耳发育核心转录因子的保守性及调控网络的比较分析

在脊椎动物内耳发育中, Six1、Six4、Pax2、Pax8、Foxi1、Dlx5、Gbx2、Irx2/3、Msx1等基因作为核心调控基因参与听基板的诱导过程。文章通过生物信息学方法, 对小鼠内耳发育的核心转录因子进行保守性分析并研究其相互调控关系, 得到小鼠内耳发育过程中核心转录因子的基因调控网络。与文献中已知的小鼠内耳发育基因调控关系相比, Pax2、Pax8、Foxi1、Dlx5基因在内耳发育中仍然起主要调控者的角色, Six1则处于被多个转录因子调节的地位, Gbx2、Irx2/3、Msx1在调控网络中也起到重要作用。对出现的差异进行了合理的分析, 同时结合构建的调控网络预测了可能存在的Msx1对Six1、Gbx2的调控作用。序列预测结果也发现了一些新的调控关系, 所涉及的转录因子包括Sox5、Lhx2、Rax、Otx1、Otx2、Pitx1、Pitx2、Nkx2-5、Irx4、Irx6、Dlx2、Hmx1/2/3、Pou4f3、Pax4、Tlx2。文章为深入了解内耳发育调控机制提供了基础信息。     

光诱导香菇菌丝转色阶段的转录因子表达分析

转录因子在真菌环境响应及生理过程中发挥重要的调节作用。本文利用转录组测序（RNA-Seq）技术研究光诱导香菇菌丝转色过程中的转录因子表达变化。转录组测序结果表明,在光照条件下转色的菌丝（313C）与黑暗条件下未转色的菌丝（313W）相比,香菇菌丝中共有68个转录因子基因表达发生变化（48个转录因子上调表达,20个转录因子下调表达）;转色的菌丝（313C）与初始未转色的菌丝（118）相比,香菇菌丝中有80个转录因子基因表达发生变化（49个转录因子上调表达,31个转录因子下调表达）。这些差异表达的转录因子包括WD40、MADS-box、MYB和GATA等家族。另外,样品的两两比较中差异表达的转录因子既存在部分重叠,也表现特异性。其中,313C/313W中有14个特异性差异表达转录因子,313C/118中有26个特异差异表达的转录因子。重叠的转录因子有64个,其中有39个表达水平上调,15个表达水平下调。采用实时荧光定量PCR对几个转录因子进行了表达检测,其中部分转录因子的表达趋势与转录组分析基本相同。这些数据为进一步研究香菇转色的转录调控奠定了一定的基础。     

基于对数线性模型的酵母基因转录调控模体分析

识别真核基因的转录因子结合位点(或称模体)是后基因组时代的一项主要工作,对共表达或共调控的基因同时进行分析可以提高模体识别的准确性.本文基于2×2列联表的对数线性模型,以模体出现的基因条数计数,对酵母核糖体蛋白(RP)基因普遍使用的转录调控模体进行分析,然后用U-检验进一步筛选出相对于背景序列来说过表达的模体.这些模体为酵母RP基因潜在的转录调控元件,与实验获得的转录因子结合位点的符合率达90%.本方法的优点在于用严格的统计标准在一组基因启动子中搜索普遍使用的模体,克服了以往分析中对模体使用普遍性的模糊判断.本文的方法也可以有效地搜索共表达基因族的组合调控模体对.研究中还发现一个现象:2×2列联表中反映属性相关程度的Pearson相关系数与对数线性模型的交互效应之间存在着明显的相关性.这一结果提示,可以用对数线性模型的交互效应来评价两属性的关联情况.     

调控胚胎干细胞自我更新的关键转录因子研究进展

胚胎干细胞（embryonic stem cells,ES细胞）具有自我更新和发育多能性的特点,在再生医学研究中有着广泛的应用前景。ES细胞多能性和自我更新的维持受到复杂的调控,涉及到转录调控、信号转导以及表观遗传调控等多个方面。转录因子Oct4、Sox2、Nanog在其中扮演着非常重要的角色,对干细胞特性的维持必不可少。本文着重讨论了这些关键转录因子的研究进展。这些研究促进了对ES细胞自我更新机制的深入理解,并为进一步的临床研究提供了理论基础。