Улучшенный метод одноклеточного ATAC-seq масштабирует исследования регуляции генов

Ученые Гарвардского университета совместно с исследователями Bio-Rad Laboratories разработали новую платформу для быстрого одноклеточного секвенирования. Подход сочетает микрофлюидику и новое программное обеспечение для масштабирования метода ATAC-seq, который идентифицирует открытые и доступные для регуляторных белков участки генома.

Инновация, опубликованная в Nature Biotechnology, знаменует значительное ускорение исследований в области одноклеточной геномики.

Что такое одноклеточное секвенирование?

Геном из первой клетки копируется во все остальные — так как же мы получаем множество типов клеток? Ученые пытаются понять, как гены включаются и выключаются в разных клетках в разное время их развития.

Одноклеточное секвенирование трансформировало эту область, позволяя изучать гены в отдельных клетках, а не в образцах ткани. При анализе "оптом" результат усредняет данные по смеси разных типов клеток. Анализ же по одной клетке переопределяет анатомию, выявляя новые типы клеток и гены, ответственные за здоровые функции или болезненные процессы.

ATAC-seq

В этом исследовании ученые сосредоточились на ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing). Метод идентифицирует, какие участки плотно упакованной ДНК развернуты и доступны для белков.

"Если часть генома доступна, фермент может сделать разрез и пометить ее. Затем мы находим последовательности всей помеченной ДНК", — пояснила соавтор работы Фабиана Дуарте.

Гены контролируются белками, например, факторами транскрипции, которые связываются с определенной последовательностью ДНК (мотивом). Этот специфичный мотив можно обнаружить в данных ATAC-seq.

С момента первой разработки ATAC-seq в 2013 году технология стала повсеместно использоваться, но процесс оставался трудоемким и неэффективным, с низким выходом надежных результатов.

Масштабирование

Новый подход значительно повышает эффективность ATAC-seq. Если предыдущие методы позволяли проанализировать 100 клеток на реакцию, то новый метод анализирует 50 000.

"Мы масштабировали метод, чтобы можно было легко профилировать множество клеток человеческой ткани. Эксперимент можно провести за день, от начала до конца", — сказал руководитель исследования Джейсон Буэнростро.

Ключевая проблема — изоляция клеток. Новый метод решает ее с помощью микрофлюидики и капель.

"Один канал устройства доставляет клетку, другой добавляет шарик с баркод-меткой. В месте встречи — масло, образуются капли. В каждой капле — клетка и шарик", — объяснила Дуарте.

Однако на практике в капле может оказаться более одного шарика. "Наше новое ПО идентифицирует такие случаи и объединяет данные, чтобы правильно определить одиночные клетки", — сказал соавтор Калеб Ларро.

"Благодаря экспериментальным и вычислительным инновациям мы теперь получаем профили для 95% клеток, загруженных в аппарат. Раньше это было около 20–30% — разница как между днем и ночью", — отметил Ларро.

Ускорение исследований

"Этот капельный метод станет доступен биомедицинским исследователям как готовая технология. В этом исследовании мы также разработали метод внутри метода: дополнительное баркодирование позволило увеличить количество анализируемых клеток в десять и более раз. Это меняет вопросы, которые можно задавать, и скорость получения ответов", — заключил Буэнростро.