DNA甲基化、组蛋白修饰(如甲基化和乙酰化)和染色质可及性共同促进了基因表达,并已被证明可在单细胞分辨率下测量。单细胞亚硫酸氢盐测序(scBS-seq)用于测量单细胞DNA甲基化的方法包括scRRBS、scWGBS、snmC-seq和sci-MET。
DNA甲基化和转录组的第一个单细胞多组学分析是通过scM&T-seq方法进行的,其中G&T-seq流程用于从同一个单细胞中分离和扩增gDNA和RNA,将scBS-seq应用于扩增的gDNA以产生DNA甲基化数据。scMT-seq使用微量移液从单细胞裂解物中分离细胞核,并执行scRRBS和改良的Smart-seq2流程分别生成DNA甲基组和转录组数据。此外,scTrio-seq分析基因组、甲基化和转录组,使用scRRBS生成DNA甲基化数据。然而,这些方法的一个局限性是由于亚硫酸氢盐处理引起的DNA降解造成的信息丢失。
Drop-ChIP可以在单细胞分辨率下测量组蛋白的修饰。在这种方法下,微流控设备被用来将单个细胞封装在带有裂解洗涤剂和微球蛋白酶的液滴中,产生单核、双核或三核体。然后将这些核糖体液滴与含有细胞特异性条形码的液滴逐一合并,生成有条形码的染色质片段。最后对这些汇集的片段进行ChIP-seq,以确定组蛋白修饰位点。
单细胞染色质可及性方法包括scDNase-seq、sci-ATAC-seq、scATAC-seq、scATAC-seq、NOMe-seq以及scMNase-seq。在这些方法的基础上,开发了几种染色质可及性和转录组的多组学分析策略,包括sci-CAR,SNARE-seq以及scNMT-seq。
sci-CAR使用基于平板的单核分离和组合索引,对同一单核的开放染色质位点和mRNA水平进行测量。这种方法使用索引RT对核mRNA进行条码化,并通过带有条码的转座酶进行索引转座对开放染色质位点进行条码化。然后,所有的核被集中起来,重新分配,并进行裂解。在核裂解液被分成两部分后,在一半的核裂解液中加入第二个条形码,用于RNA-seq,在另一半的核裂解液中加入索引PCR,用于ATAC-seq。组合条码使来自单个核的mRNA和开放染色质得以区分。
SNARE-seq是另一种使用微滴平台和条形码珠对同一单个细胞核的开放染色质和mRNA进行分析的方法。这种方法的流程首先是分离单核,并使用转座酶在分离的核中进行开放染色质标记。然后将被标记的核包裹在一个液滴中,其中包括一个含有oligo-dT的条码珠和一个连接寡核苷酸,它将被标记的gDNA片段连接到珠子上,使珠子能够捕获mRNAs和开放染色质片段。mRNAs和gDNA片段通过加热从珠子上释放出来后,进行RT和PCR扩增,生成cDNA和开放染色质gDNA片段库。此外,scNMT-seq被开发出来,通过结合scM&T-seq和NOME-seq,对同一单细胞的核糖体、DNA甲基组和转录组进行分析。
一些使用这些方法的研究报告表明,DNA甲基化的差异与整个单细胞的基因转录的变化相关联。例如,Angermueller等人使用scM&T-seq发现,低甲基化的区域显示出甲基化水平的高差异,这与它们作为控制基因表达的远端调控元件的作用相一致。Hernando-Herraez等人利用scM&T-seq,也发现了与组织特异性小鼠干细胞老化有关的表观遗传和转录特征之间的联系。此外,Hu等人利用scMT-seq发现,非CpG岛启动子显示出不同的CpG 富集,促成了背根神经节单细胞之间的甲基化异质性。进一步研究发现,转录物水平与基因组甲基化呈正相关,但与启动子甲基化呈负相关,并发现单细胞中的等位基因体甲基化与等位基因表达之间存在相关性。此外,利用scNMT-seq,Clark等人发现在小鼠胚胎干细胞分化过程中,单细胞的核小体、DNA甲基组和转录组的动态耦合。所有这些数据证明了表观基因组和基因表达在单细胞的基因组水平上的联系。