Пространственная эпигеномика

Эпигеномные методы спрашивают, какие участки генома открыты, какие несут определённые модификации гистонов и где метилирована ДНК. Выполненные на диссоциированных ядрах, они теряют архитектуру ткани, которая во многом и определяет, что чем регулируется. Пространственная эпигеномика проводит ту же химию на целом срезе, и состояние хроматина сохраняет свои координаты.

Господствуют две химии. Профилирование доступности на основе транспозиции использует транспозазу Tn5, которая предпочтительно вставляет адаптеры для секвенирования в свободную от нуклеосом ДНК: фермент за один шаг и режет, и метит, поэтому доступные области сразу становятся пригодными для секвенирования фрагментами. Для меток гистонов антитело к интересующей модификации привязывает к мишени транспозазу или нуклеазу, слитую с белком A, и разрезание происходит только рядом со связанным антителом. Оба подхода работают на фиксированной ткани.

Положение затем кодируется не каплями, а детерминированным штрихкодированием. Микрофлюидное устройство накладывает на срез параллельные каналы и прогоняет первый набор штрихкодов; затем устройство поворачивают на девяносто градусов и прогоняют второй, так что каждое пересечение получает уникальную пару. Срез тем самым разбивается на сетку пикселей заданного размера — десятки микрометров в ранних воплощениях, единицы в поздних, — адреса которых известны по построению, а не выводятся.

Определяющее ограничение — разреженность

Доступность измеряется на двух копиях генома в диплоидной клетке, а не на десятках или сотнях копий, какие бывают у транскрипта. Матрица не размножается перед измерением, поэтому на пиксель приходится скромное число фрагментов, распределённых по геному из миллиардов оснований, — матрица получается почти двоичной и подавляюще нулевой. Анализ компенсирует это объединением: суммированием прочтений по областям пиков, по телам генов с прилегающими участками или по соседним пикселям и кластерам. Поэтому утверждения об одном пикселе слабы, а надёжные выводы — это выводы о доменах.

Что этот слой измеряет помимо экспрессии

Доступность и метки гистонов сообщают о регуляторном потенциале и состоянии клетки, а не о текущем выходе, и меняются в иных временных масштабах, чем транскрипция: подготовленные области могут быть открыты без соответствующего транскрипта. Мотивы транскрипционных факторов, обогащённые в доступных областях, дают предполагаемую регуляторную программу — гипотезу о причинности, которую данные об экспрессии сами по себе не поставляют. Если оба слоя сняты с одного среза, полезен именно тот анализ, где один ограничивает другой.

Чего эта страница не охватывает

Пространственное измерение транскриптов и белков — отдельная технология с другими компромиссами, она описана в статье о пространственной транскриптомике. Бисульфитное картирование метилирования ДНК плохо переносится в этот формат, поскольку химия, превращающая неметилированный цитозин, одновременно разрушает ДНК; пространственные методы метилирования существуют, но менее зрелы, чем профилирование доступности и меток гистонов. Трёхмерная организация генома in situ — тоже отдельная и менее развитая область.

Честная оценка зрелости поля: химия штрихкодирования устоялась и воспроизводима, разрешаемая биология ограничена прежде всего тем, как мало молекул в клетке доступно для измерения, а сверка с эталонными данными по диссоциированным ядрам остаётся обычной частью интерпретации результата.