在高等真核生物中，基因组在细胞核内的三维空间构象对细胞功能至关重要。例如，增强子常常通过三维空间相互作用对远端目的基因的转录活性起调控作用1-3。三维基因组水平上的异常也被发现与包括癌症在内的多种疾病的发生密切相关4-6。然而，三维基因组与基因表达的整体关系仍然存在争议。例如，通过靶向降解染色质空间构象的关键调控蛋白CTCF或cohesin，可以使基因组空间构象发生重大重排，但对基因表达却只造成了较微弱的影响7-9。在果蝇胚胎中，不同细胞类型间的基因表达具有显著差异，但染色质结构差别并不明显10,11。因此，想要进一步认识复杂组织器官和丰富细胞类型背景下的染色质三维结构和基因表达之间的关系，亟需更有力的工具。

2023年6月9日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）邢栋课题组在Science期刊发表了题为“Linking genome structures to functions by simultaneous single-cell Hi-C and RNA-seq”的研究论文，报道了一种新型单细胞多组学技术HiRES（Hi-C and RNA-seq employed simultaneously），首次基于测序方法实现了在单细胞水平对转录组和三维基因组的同时检测。

HiRES方法在细胞群体水平进行原位反转录和染色质构象捕获（3C），之后通过流式分选得到单细胞，再对每个单细胞进行扩增后测序（图1A）。DNA或RNA读段通过反转录过程中引入的RNA识别序列进行区分，因此该方法不涉及DNA和RNA的物理分离，最大程度地提高了检测效率。在小鼠大脑样品中，平均每个细胞可以检测到6517个基因，27,468条转录本（UMIs）以及317,435个染色质相互作用（图1B、C）。利用该数据，研究人员可以对单细胞三维基因组进行高分辨率结构重构，并可以在三维结构上对基因表达水平进行观测（图1D、E）。

图1 HiRES方法能高效检测单细胞的转录组和三维基因组（A）HiRES方法流程示意图。（B）MALBAC-DT和HiRES两种方法检测到的基因和转录本数目。（C）Dip-C和HiRES两种方法检测到的染色质相互作用数。（D）示例单细胞染色质三维结构上的染色质区室化情况，可以看到异染色质（洋红色）和常染色质（绿色）的分区。（E）示例单细胞染色质三维结构上的基因表达情况。球的大小代表表达量的高低

之后，利用HiRES方法，研究人员绘制了小鼠胚胎自妊娠后7天至11.5天这一时期共7469个单细胞的转录组和三维基因组图谱。通过对该双组学数据的分析，该研究在以下几个方面进行了探索：

一、不同细胞类型中细胞周期对三维基因组的影响

胚胎发育时期的细胞处在快速增殖的过程中，细胞周期对三维基因组的影响不容忽视。该研究利用HiRES的双模态数据，开发了一种对单细胞进行细胞周期划分的策略。该策略主要依赖DNA空间相互作用特征、细胞周期相关基因表达以及DNA复制程度等指标，可以将单细胞分配到不同的细胞周期状态之一（图2）。

北京大学生物医学前沿创新中心、生命科学学院博士生刘致远、陈玉洁、夏启旻为该论文的共同第一作者，邢栋为该论文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金、北京大学"临床医学+X-青年学者项目"和北京未来基因诊断高精尖创新中心的资助，以及北京大学高通量测序平台的协助与支持。