北京大学何爱彬团队创新单细胞检测方法，揭示小分子药物靶标结合及表观遗传谱

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作者：Tracy

【简介】研究癌症治疗中小分子抑制剂的分子和细胞功能，通过靶向基因组和表观基因组相关的蛋白质来产生效应，需要检测单细胞分辨率中药物靶标的参与。在这项研究中，团队介绍了EpiChem，该EpiChem用于原点单细胞关节图谱的小分子和多模态表观基因组图谱，揭示了异质CRC器官染色质环境中不同药物的相互作用。

2024年7月18日， 北京大学未来技术学院何爱彬团队在期刊上《Nature Methods》上面发表了题为“Single-cell EpiChem jointly measures drug–chromatin binding and multimodal epigenome"研究论文。在CRC类器官小分子药物治疗之后，该团队揭示了跨细胞类药物基因组结合动力学和适应性表观基因组。这种方法为细胞类型特异性药物的应用机制提供了独特的工具。

https://www.nature.com/articles/s41592-024-02360-0

选题背景

01

在细胞调节过程、影响基因表达、染色质结构和信号通道等方面，小分子发挥作用。其相互作用是包括传统药物和先进靶向疗法在内的各种治疗措施的基础。尽管许多小化学分子药物通过与基因组的相互作用，在医学治疗中得到了充分的证实，但是基因组相互作用的具体机制一般还不清楚。将DNA或染色质与蛋白质相结合的小分子图谱，是破解其在抗癌治疗中发挥作用的基础。

到目前为止，只有少数技术被报道用于检测大型样品中小分子和细胞DNA之间的相互作用，而这些技术通常需要数百万个细胞。然而，从未实现小分子目标结合的单细胞谱分析。此外，单细胞共测定药物基因组合和表观遗传场景也非常重要，以显示药物靶点与表观遗传背景的相容性。

该研究介绍了scEpiChem，这是一种可以同时检测小分子药物靶标结合和表观遗传谱的方法。这种方法涉及生物素化（btn）小分子与抗生物素抗体一起孵化，与条码蛋白结合 A-Tn5（PAT）转座酶介导的标记过程，可以有选择地分析单个细胞中特定的基因组区域。使用多轮组合条码，scEpiChem可以在一次试验中检索数十万个单细胞图谱，并且可以扩展到数百万个单细胞。scEpiChem强调捕捉细胞异质的细微差别，它代表了一种分析单细胞中小分子和基因组件之间错综复杂的相互作用的方法。

研究进展

02

综合多模式分析，揭示了各种具有肿瘤异质性的药物相互作用

H3K27ac谱比Dox-btn更多地聚集在远端增强子区域。参与离子跨膜转运和细胞代谢过程的正调节，Dox特异性特征。与小GTP结合蛋白质相关的基因在EMT期间被类似的机制激活在H3K27ac和Dox-btn聚集区。C2和C3中的基因在肌动蛋白丝的基础上强烈聚集，包括与肌动蛋白相关的基因(与肌动蛋白相关的蛋白质2，ACTR2)。在小分子和H3K27ac信号之间，C4-C6区域呈现出不同的方式。（Dox-btn，27.6%的检测区占所有检测区域的27.6%；JQ1-btn，16.2%占所有检测区域的16.2%；THZ1-btn，它占所有检测区域的4.3%)。根据GO分析，C4和C5聚集在细胞连接组织中，而C6基因聚集在内皮屏障的建立上。对于这些药物的特异性，团队从零开始对因子基序富集进行了分析，各自发现了Dox-btn、SMAD44JQ1-btn和THZ1-btn、TF聚集了ZFX和ZNF317等TF，进而对下游转录因子目标有了深入的了解。总而言之，研究结果揭示了这些小分子在人类CRC器官培养过程中的差异和动态基因组合位点。

在人类CRC器官中，单细胞EpiChem识别了三种小分子药物的特异性基因组合动力学。

通过对小分子结合谱的分析，揭示了人类CRC器官中不同细胞类型的药物反应。

对靶向和个性化癌症疗法的发展，了解耐药性复杂的分子机制尤为重要。为准确捕捉CRC器官异质细胞群中小分子的表观遗传景观与基因组结合的关系，团队在3个时间点(第0天为未处理、第3天、第5天)收集单细胞，分析小分子和H3K27ac，捕捉40,682个单细胞。在为期5天的用药治疗过程中，团队观察到没有一种药物造成任何细胞群的不足。C1-C2代表JQ1-btn在EMT过程中与未经药物处理的细胞结合。JQ1-btn结合区主要聚集在C3-C4耐药细胞中，包括调节细胞周期变化。对于THZ1-btn，耐药性细胞中的结合位点，主要丰富于生物水平的稳态和酶联受体蛋白信号通道。相比之下，耐药细胞中的Dox-btn信号主要集中在DNA损伤反应、核苷酸吸收代谢过程的调节以及Notch信号通道的正调节上。Dox-在C1峰中，H3K27ac信号随着伪时间的不断减少，btn结合信号逐渐增加。Dox-btn和H3K27ac在C1中的差异与生物过程有关，包括对DNA结合转录因子活性的调整。尽管Dox-btn和H3K27ac共享C1峰是从集体图谱中调用的，但是当Day3&5样品被单细胞检查时，Dox-动态转录因子在btn和H3K27ac之间的活性是不同的。结果表明，TF的差异子集参与Dox-btn处理反应，以及细胞状态转换过程中相关的增强子调节。小组阐述了用药前后小分子结合的差异，建立了表观遗传背景与药物敏感性的相关性。

在人类CRC类器官中，单细胞EpiChem通过药物基因组合位点和染色质状态来识别不同细胞类型的药物敏感性。

研究结果

03

ScEpiChem为检测小分子和表观遗传状态的基因组相互作用提供了一种独特的方法，包括单细胞中的组蛋白修饰和染色质的通用性。scEpiChem的一个显著优点是它能捕捉到肿瘤或组织中小分子药物基因组合的异质性，这是传统批量检测中经常被忽视的一个方面。scEpiChem除了药物与其靶蛋白的整体相似性外，还能识别药物-染色质结合与其靶蛋白结合之间的微小差异。探索靶向基因组或表观基因组抗癌小分子的细胞反应和耐药机制，利用病人器官中scEpiChem数据的力量，具有很大的前景。SCEpiChem在耐药机制研究中提供了一个能捕捉小分子反应细胞异质的全面高通量框架，这是传统批量检测所不能实现的。

CRC细胞接受EMT对治疗的抗药性增强，在临床上形成了巨大的挑战。在CRC中，EMT与肿瘤的入侵和转移有关，使癌细胞失去细胞之间的附着力，增加流动性和入侵性。在研究CRC类器官时，团队观察到了细胞类型的特异性变化，这些变化用于药物治疗。为了研究药物与动态表观基因组景观之间的各种相互作用，在单细胞中同时绘制小分子抑制剂和多个表观基因组特征的能力，开辟了一种方法。但是，scEpiChem并非没有局限性。依赖生物素化小分子可能会带来偏见，需要进一步努力，探索替代标记的策略。

总而言之，scEpiChem意味着在揭示小分子-基因组相互作用的复杂性方面，在单细胞层面迈出了开创性的一步。从药物开发到细胞异质性，它的潜在影响跨越了许多领域。解决当前的局限性，探索改进，对于释放scEpiChem的所有潜力尤为重要，可以提高科学界对药物基因组参与的认识，为更有针对性和个性化的治疗干预铺平道路。

参考资料：

1.Cohen, P., Cross, D. & Jänne, P. A. Kinase drug discovery 20 years after imatinib: progress and future directions. Nat. Rev. Drug Discov. 20, 551–569 (2021).

2.Shaw, A. T. et al. First-line lorlatinib or crizotinib in advanced ALK-positive lung cancer. N. Engl. J. Med. 383, 2018–2029 (2020).

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