Adv Sci丨张世华/高琳课题组联合开发多重DNA荧光原位杂交数据插补方法ImputeHiFI实现高保真染色质空间位置预测

学术 2024-10-10 14:30 四川

基因组在细胞核内折叠成复杂的三维。理解三维基因组结构对于研究基因调控、细胞命运决定和物种进化等至关重要。近年来，单细胞测序和成像技术的进步显著增强了在单细胞水平上研究染色体结构的能力。例如，研究者开发了单细胞 Hi-C技术并应用于探测细胞群体间或某些关键生物过程中染色质结构的细胞间变异性和动态变化。多重DNA荧光原位杂交（FISH）成像技术可以追踪数百到数千个基因组位点的空间位置。然而，多重 DNA荧光原位杂交实验涉及多轮杂交和成像，技术限制导致许多探针的成像信号未被检测到。通常，单个细胞中探针的缺失率可高达25%，并且可能达到62%。这种大量缺失严重影响了基因组信息的完整性和后续分析的可靠性。因此，开发一种有效的插补方法来解决多重DNA荧光原位杂交数据中的缺失至关重要。

截至目前，各种实验技术产生了多种多模态和多组学成像及测序数据。例如，Su 等使用 DNA和RNA MERFISH在人体肺成纤维细胞中成像了超过1000个基因组位点和超过1000个基因的新生转录本以及标志性细胞核结构。Tan 等使用MALBAC-DT和Dip-C技术生成了出生后发育中的小鼠皮层和海马的三维基因组结构和转录组，这增加了对出生后单细胞转录组和三维基因组动态的理解。Su 等和 Takei 等展示了 Hi-C 数据与多重 DNA荧光原位杂交数据之间的高度一致性。因此，当前实验技术生成的大量多模态和多组学数据为插补多重 DNA荧光原位杂交技术中的缺失数据提供了丰富的数据资源。

近日，中国科学院数学与系统科学研究院张世华与西安电子科技大学高琳课题组联合（共同指导的博士研究生樊奭琛为论文第一作者）在Advanced Science杂志在线发表了题为ImputeHiFI: An Imputation Method for Multiplexed DNA FISH Data by Utilizing Single-Cell Hi-C and RNA FISH Data的研究论文【1】。

ImputeHiFI 利用单细胞Hi-C数据的互补结构信息和RNA荧光原位杂交数据的细胞类型特征，获得高保真且完整的染色质位点空间位置。ImputeHiFI 显著提升了多重 DNA荧光原位杂交数据在下游分析中的表现，如细胞聚类、区室识别、细胞亚型检测和环状结构检测。ImputeHiFI 是首个利用多模态和多组学信息来插补多重 DNA荧光原位杂交数据的方法，推进了单细胞水平上的基因组结构和表达的研究。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202406364

制版人：十一

参考文献

1. Fan S, Dang D, Gao L, Zhang S. ImputeHiFI: An imputation method for multiplexed DNA FISH data by utilizing single-cell Hi-C and RNA FISH data. Adv Sci, 2024, 2406364.

2. Ye Y, Gao L, Zhang S. MSTD: an efficient method for detecting multi-scale topological domains from symmetric and asymmetric 3D genomic maps. Nucleic Acids Res, 2019, 47(11): e65-e65.

3. Dang D, Zhang SW, Duan R, Zhang S. Defining the separation landscape of topological domains for decoding consensus domain organization of 3D genome. Genome Res, 2023, 33: 386-400.

4. Ye Y, Gao L, Zhang S. Circular trajectory reconstruction uncovers cell-cycle progression and regulatory dynamics from single-cell Hi-C maps. Adv Sci, 2019, 6(23):1900986.

5. Ye Y, Zhang S, Gao L, Zhu Y, Zhang J. Deciphering hierarchical chromatin domains and preference of genomic position forming boundaries in single mouse embryonic stem cells. Adv Sci, 2023, e2205162.

6. Fan S, Dang D, Ye Y, Zhang SW, Gao L, Zhang S. scHi-CSim: a flexible simulator that generates high-fidelity single-cell Hi-C data for benchmarking. J Mol Cell Biol, 2023, mjad003.

7. Luo X, Liu Y, Dang D, Hu T, Hou Y, Meng X, Zhang F, Li T, Wang C, Li M, Wu H, Shen Q, Hu Y, Zeng X, He X, Yan L, Zhang S, Li C, Su B. 3D Genome of macaque fetal brain reveals evolutionary innovations during primate corticogenesis. Cell, 2021, 184(3):723-740.e21.

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