【Nature子刊】北京大学何爱彬团队创新单细胞检测法，揭示小分子药物靶标结合和表观遗传谱

2024年7月18日， 北京大学未来技术学院何爱彬团队在期刊《Nature Methods》上发表了题为“Single-cell EpiChem jointly measures drug–chromatin binding and multimodal epigenome”的研究论文。团队揭示了CRC类器官小分子药物治疗后，跨细胞类型的药物基因组结合动力学和适应性表观基因组。该方法为利用细胞类型特异性药物作用机制，提供了一种独特的工具。

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

研究背景

01

小分子在调节细胞过程、影响基因表达、染色质结构和信号通路方面发挥作用。这些相互作用是各种治疗干预措施的基础，包括传统药物和先进的靶向疗法。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，但基因组相互作用的具体机制，往往仍不清楚。绘制结合DNA或染色质相关蛋白的小分子图谱，是破译它们在抗癌治疗中的作用的基础。

迄今为止，只有少数技术被报道用于检测大宗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，小分子靶标结合的单细胞谱分析，从未实现。此外，药物基因组结合和表观遗传图景的单细胞共测定，对于说明药物靶点和表观遗传背景的相容性，也至关重要。

在本研究中，团队介绍了scEpiChem，这是一种能够单细胞同时检测小分子药物靶标结合和表观遗传谱的方法。该方法涉及将生物素化（btn）小分子与抗生物素抗体一起孵育，结合条形码蛋白 A-Tn5（PAT）转座酶介导的标记过程，以选择性地分析单个细胞内的特定基因组区域。scEpiChem利用多轮组合条形码，允许在单次实验中检索数十万个单细胞图谱，可扩展到数百万个单细胞。scEpiChem强调捕捉细胞异质性的细微差别，代表了一种剖析单细胞中小分子和基因组元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，揭示了具有肿瘤异质性的多种药物相互作用

与Dox-btn相比，H3K27ac谱在远端增强子区域更富集。Dox特异性特征参与离子跨膜转运和细胞代谢过程的正调控。在EMT期间，与小GTP结合蛋白相关的基因，在H3K27ac和Dox-btn富集区域被类似的机制激活。C2和C3中的基因，强烈富集于基于肌动蛋白丝的过程，包括肌动蛋白相关基因（肌动蛋白相关蛋白2，ACTR2）。C4-C6区域在小分子和H3K27ac信号之间，表现出不同的模式（Dox-btn，占所有测试区域的27.6%；JQ1-btn，占所有测试区域的16.2%；THZ1-btn，占所有测试区域的4.3%）。GO分析显示，C4和C5在细胞连接组织方面富集，而C6基因在内皮屏障建立方面富集。团队对这些药物特异性，进行了从头转录因子基序富集分析，分别发现了Dox-btn、JQ1-btn和THZ1-btn的SMAD4、ZFX和ZNF317等TF富集，从而深入了解了潜在受影响的下游转录因子靶标。总之，研究结果揭示了人类CRC类器官培养过程中，这些小分子的差异性和动态基因组结合位点。

单细胞EpiChem鉴定了人类CRC器官中，三种小分子药物的细胞类型特异性基因组结合动力学。

剖析小分子结合谱，揭示了人类CRC类器官中不同细胞类型的药物反应

了解耐药性的复杂分子机制，对于开发靶向和个性化的癌症疗法至关重要。为了准确捕捉药物治疗前后，CRC类器官异质细胞群中小分子的表观遗传景观与基因组结合之间的关系，团队在3个时间点（第0天为未处理、第3天和第5天）收集单细胞，并同时对小分子和H3K27ac进行分析，共捕获40,682个单细胞。团队观察到，在为期5天的药物治疗期间，没有一种药物导致任何细胞群的缺失。在EMT过程中，C1-C2代表JQ1-btn在未经药物处理的细胞中结合的区域。C3-C4主要富集耐药细胞中的JQ1-btn结合区，包括调节细胞周期相变。对于THZ1-btn，耐药细胞中的结合位点，主要富集在生物体水平的稳态和酶联受体蛋白信号通路中。相比之下，耐药细胞中的Dox-btn信号，主要富集于DNA损伤反应、核苷酸分解代谢过程的调节和Notch信号通路的正调控。Dox-btn结合信号呈逐渐增加的模式，而C1峰中的H3K27ac信号沿伪时间连续减少。C1中Dox-btn和H3K27ac之间的差异与生物过程有关，包括DNA结合转录因子活性的调节。尽管Dox-btn和H3K27ac共享从聚集体图谱中调用的C1峰，但在单细胞水平上检查Day3&5样品时，Dox-btn和H3K27ac之间的动态转录因子活性并不相同。这些结果表明了，参与Dox-btn处理反应的TF的不同子集，以及细胞状态转换期间相关的增强子调控。团队阐明了药物治疗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之间的相关性。

单细胞EpiChem通过人类CRC类器官中的药物基因组结合位点和染色质状态，鉴定不同细胞类型的药物敏感性。

研究结论

03

scEpiChem提供了一种独特的方法，来共同检测小分子和表观遗传状态的基因组相互作用，包括单细胞中的组蛋白修饰和染色质可及性。scEpiChem的显著优势之一，在于它能够捕获肿瘤或组织内小分子药物基因组结合的异质性，这是传统批量检测中，经常被忽视的一个方面。除了药物与其靶蛋白之间的整体相似性外，scEpiChem还能够识别药物-染色质结合与其靶蛋白结合之间的细微差异。利用患者类器官中scEpiChem数据的力量，探索靶向基因组或表观基因组的抗癌小分子的细胞反应和耐药机制，具有巨大的前景。在耐药机制研究中，scEpiChem提供了一个全面的高通量框架，能够捕获小分子反应的细胞异质性，这是传统批量检测无法实现的。

接受EMT的CRC细胞对治疗的耐药性增强，构成了巨大的临床挑战。CRC中的EMT与肿瘤侵袭和转移相关，使癌细胞失去细胞间粘附，并获得增加的流动性和侵袭性。通过对人类CRC类器官的研究，团队观察到其对药物治疗反应的细胞类型特异性变化。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，为研究药物与动态表观基因组景观之间的各种相互作用，开辟了途径。然而，scEpiChem并非没有局限性。对生物素化小分子的依赖可能会带来偏倚，需要进一步努力，探索替代标记策略。

总之，scEpiChem标志着在单细胞水平上，揭示小分子-基因组相互作用的复杂性方面，迈出了开创性的一步。它的潜在影响跨越多个领域，从药物开发到了解细胞异质性。解决当前的局限性并探索改进，对于释放scEpiChem的全部潜力至关重要，可以提高科学界对药物基因组参与的了解，并为更具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).