单细胞多组学测序技术scMTR-seq揭示组蛋白修饰组合与转录组的协同调控机制

研究人员开发了单细胞多靶标与mRNA测序技术（scMTR-seq），首次实现同一细胞中6种组蛋白修饰（H3K4me1/3、H3K27ac/me3、H3K36me3）与转录组的联合分析，揭示了人类内胚层分化过程中染色质状态的动态变化，并解析了小鼠胚胎三谱系间的表观遗传不对称性，为研究复杂样本的表观调控网络提供了突破性工具。

　　

在生命科学领域，解析细胞异质性背后的表观遗传调控机制一直是重大挑战。传统技术难以同时捕获单个细胞中多种组蛋白修饰与基因表达的协同变化，而现有单细胞多组学方法存在样本需求量大、操作繁琐、信号串扰等问题。这种技术瓶颈严重限制了人们对发育、疾病等过程中表观遗传精确调控机制的理解。

针对这一难题，来自英国Babraham Institute（附：Babraham Institute）的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表了突破性成果。他们开发了名为scMTR-seq（单细胞多靶标与mRNA测序）的革命性技术，通过优化抗体-蛋白A-Tn5复合物组装策略，结合三步组合条形码标记，首次实现单个细胞中6种组蛋白修饰（H3K4me1、H3K4me3、H3K27ac、H3K27me3、H3K36me3和IgG对照）与全转录组的高通量联合分析。该技术仅需18,000个起始细胞即可获得7,479个高质量多组学数据，细胞回收率超40%，显著优于现有方法。

关键技术包括：（1）预组装索引化蛋白A-Tn5-抗体复合物；（2）IgG封闭减少脱靶信号；（3）三步拆分-合并条形码策略实现单细胞标记；（4）转座后逆转录保留RNA完整性；（5）使用小鼠E4.5囊胚和人多能干细胞（hPSC）分化模型验证技术可靠性。

主要研究结果：

组合分析多组学模式

通过adapter switching策略将FRiP（峰值 reads 占比）提高2倍，IgG封闭使H3K27ac在H3K27me3峰值的脱靶信号降低80%。scMTR-seq与ENCODE ChIP-seq数据的基因组信号相关性达0.59-0.91，成功鉴定出活跃启动子、二价启动子等7种染色质状态。

scMTR-seq解析六靶标与转录组

在hPSC中平均每个细胞获得9,699条DNA reads和11,827条RNA reads，较Multi-CUT&Tag等现有方法提升3倍灵敏度。H3K27me3与基因表达的Cramér's V关联度仅为0.12，验证了技术特异性。

揭示内胚层分化动态

追踪hPSC向定型内胚层分化过程发现，44%的二价启动子维持状态，19%转为抑制状态（如SOX17位点H3K27me3增加），22%激活为活跃启动子。伪时间分析显示TBXT等中胚层基因伴随H3K27ac瞬时升高而短暂表达。

解析小鼠胚胎谱系特异性

首次在单细胞水平区分EPI（上胚层）、PE（原始内胚层）和TE（滋养外胚层）的表观差异：TE特异性增强子仅在TE中被H3K27ac标记，而PE细胞同时激活三谱系增强子，提示其更强的谱系可塑性。SCENIC+分析发现Trps1在EPI中抑制Gata2/3调控的TE增强子网络（如Enpep基因），揭示新型谱系隔离机制。

这项研究建立了首个可同时分析多种表观遗传修饰与转录组的单细胞平台，其创新性体现在：（1）突破性技术设计实现6种组蛋白修饰并行检测；（2）揭示染色质状态动态与细胞命运决定的精确对应关系；（3）发现Trps1通过竞争性抑制Gata因子维持胚胎谱系边界。该技术为研究器官发育、肿瘤异质性等过程中的表观调控提供了全新工具，相关方法已通过protocols.io共享。未来通过增加抗体复用数量、优化信号富集策略，有望进一步推动单细胞多组学研究的深度和广度。