ATAC-seq、Hi-C 和 WGBS 等技术曾为表观基因组研究奠定重要基础，然而，这些代表性表观遗传技术在解析空间表观基因组时存在显著局维基因组结构：探索基因组的三维架构。

染色质可限：ATAC-seq 等方法仅能在一维基因组水平描述染色质状态，Hi-C 无法同步获取表观修饰信息，WGBS 亦难以关联甲基化与三维构象。当研究逐渐聚焦于基因组三维空间中表观遗传标记的复杂互作时，传统技术在整合染色质可及性、甲基化与空间构象信息上的能力缺失日益凸显。在此背景下，SCA-seq 技术被提出和发布，单一文库即可同步解锁多组学数据，规避独立建库导致的跨组学批次效应。

什么是SCA-seq？

SCA-seq（Spatial chromatin accessibility sequencing）：空间染色质可及性测序技术，通过甲基化标记与邻近连接的创新设计，首次实现了单分子分辨率下对染色质可及性、基因组三维构象及 CpG 甲基化的同步解析。

该技术的原理及实验步骤如下：细胞固定后，首先利用甲基转移酶（EcoGII 或 M.CviPI）标记染色质可及区域，并将该信息转化为 m6A 或 GpC 甲基化标记。随后，采用染色质构象捕获方案进行消化和邻近连接，将三维空间中邻近的 DNA 片段连接起来。优化后的 DNA 提取方法可获得高纯度的大片段 DNA。最后，利用纳米孔测序技术对这些片段进行测序，同步分析其染色质可及性、甲基化状态及三维空间构象信息。

SCA-seq技术原理及实验步骤

应用方向

三及性：研究染色质的可及性，以揭示调控元件和基因调控机制。

空间表观遗传分析：在三维空间尺度上分析DNA甲基化和染色质可及性等表观遗传特征。

功能基因组研究：将染色质结构和可及性与基因表达及细胞功能相关联。

应用表现

1、甲基化识别

从 SCA-seq 数据中获取甲基化信息，使用 Nanopolish识别甲基化修饰；与利用金标准WGBS 的分析结果高度相关，支持SCA-seq甲基化检测的准确性；此外，经验证，SCA-seq使用的生物信息学流程能够检测天然CpG甲基化和人工标记的GpC甲基化。

图 SCA-seq甲基化检测的可行性

2、染色质可及性识别

由于ATAC-seq和DNase-seq是检测染色质可及性的金标准，因此，研究人员将SCA-seq与ATAC seq/DNase-seq进行了比较。在SCA-seq的全基因组数据中分析得到87991个可及性峰，其中80%与ATAC-seq或DNase-seq中的峰重叠。

图 染色质可及性检测，SCA-seq、ATAC-seq和DNase-seq之间峰重叠的韦恩图

图 SCA-seq与各种表观遗传标记共定位

3、高阶染色质结构捕获

通过SCA-seq获得互作热图、loop 环、TAD边界和A/B区，与Hi-C检测结果相关性较好，SCA-seq成功地解析了染色质相互作用的多重性质。

图 SCA-seq捕获高阶染色质结构

4、解析转录调节因子结合与染色质构象之间的关系

利用SCA-seq观察到染色质构象具有特定的结合模式，例如CTCF结合模式。研究发现，与非CTCF结合相比，CTCF结合导致了更高阶和更多的远端相互作用，这表明CTCF结合促进了更复杂结构的形成。

图 有无CTCF足迹的染色质互作差异

5、空间染色质可及性影响基因表达调控

可及和不可及的DNA在SCA-seq数据中连接在一起（杂合串联子），表明了空间相邻DNA区域可及性的异质性。与不可及的串联子相比，杂合串联子包含更多的增强子和启动子元件，提示空间相互作用和染色质可及性可能协同调控基因表达水平。

图 SCA-seq揭示空间染色质可及性

6、空间甲基化揭示特殊调控机制

在显示高阶相互作用和CpG甲基化的SCA-seq数据中，研究发现大多数oCGIs（“孤儿”CpG岛）通常在空间上靠近CTCF结合基序和活性组蛋白标记物，且oCGIs能够将增强子和CTCF基序连接起来，并可与启动子进行作用，拓展了对oCGIs调控功能的理解。

图 CpG 甲基化和 CpG 岛的不同空间接触类型

技术亮点

三维基因组结构解析

空间整合性表观遗传分析

关键调控机制研究

产品比较

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参考文献：

Xie, Yeming et al. Spatial chromatin accessibility sequencing resolves high-order spatial interactions of epigenomic markers. eLife. 2024.