Nature | 邢栋课题组开发单细胞四组学技术解析三维表观遗传调控编码 ...

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细胞间的差异不仅取决于基因是否表达，更深植于表观遗传层面的多维度调控：染色质的开放状态、组蛋白修饰的分布模式、以及基因组在细胞核内的三维空间构象，都会对基因表达水平产生影响。然而，长期以来，这些不同层面的调控信息往往只能被分别测量，难以在同一细胞中实现同步观测，限制了对基因调控机制整体性和协调性的理解。
2026年4月1日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）邢栋课题组在Nature期刊发表题为 Gene regulatory landscape dissected by single-cell four-omics sequencing 的研究论文。该研究开发了一种名为CHARM的单细胞四组学测序技术，首次实现了在同一细胞内同步捕获基因组三维空间结构、染色质可及性、组蛋白修饰和转录组四类关键组学信息，为系统解析基因表达调控逻辑提供了全新的整合性技术框架。
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基于 CHARM 获得的单细胞多组学数据，研究者从时间、空间和细胞类型等多个维度，系统刻画了多层表观调控与基因表达之间的关系。在时间维度上，研究发现不同层面表观遗传信息在细胞周期过程中的重建方式并不相同。染色质可及性在 DNA复制后能够较快恢复，其动态变化与复制时间密切相关；相比之下，抑制性组蛋白修饰H3K27me3的重建则更多依赖其在三维核空间中的邻近关系，提示三维基因组结构参与表观遗传状态在细胞周期中的维持与传递。在空间维度上，单细胞三维基因组结构重建结果显示，开放染色质在细胞核内并非随机分布，而是倾向于形成空间聚集簇。这些簇富集超级增强子和转录共激活因子，位于其中的基因在单细胞中往往表现出更协调的表达水平，揭示了调控元件在三维空间中的组织方式与转录状态之间存在紧密联系。
通过单细胞多组学建模，研究进一步发现，多层表观调控信息在描述转录状态时具有显著互补性：同时整合染色质可及性、组蛋白修饰和染色质三维互作信息，对单细胞基因表达的预测效果最佳。在此基础上，研究团队进一步利用多组学联合分析对远端调控元件与靶基因表达之间的关联模式进行刻画，显著提升了对增强子—启动子关系的解析能力。将这一策略应用于小鼠大脑皮层样本，研究者系统解析了细胞类型特异性的增强子—启动子关联。进一步分析表明，在不同细胞亚型中，增强子组合的变化与基因表达差异密切对应，提示增强子调控的重要特征并不只是决定基因是否表达，而是进一步通过组合和协调的方式对转录输出进行精细定量控制。
该研究构建了能够统一解析多层表观遗传调控及其转录结果的实验与分析框架。凭借极高的单细胞信息密度，许多此前只能在群体层面讨论的问题，首次得以在单细胞尺度上得到解析。未来，将CHARM应用于发育、衰老和疾病发生等过程的研究，有望为理解基因表达定量的调控规律、细胞命运转变的分子基础以及非编码遗传变异的功能后果开辟新的路径。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10322-z
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