Nat Methods丨朱晨旭团队开发Paired-Damage-seq技术对单细胞基因组损伤与转录组进行同时检测

摘要：在多细胞生物中，基因组的完整性和表观遗传信息的稳定性是维持生命活动的核心。然而，无论是内源性还是外界环境压力，都可能导致DNA损伤，并在细胞内积累，最终引发与年龄相关的病理变化甚至疾病【1】。这些DNA损伤的分布模式及其对细胞功能的影响，一直是研究人员探索的重

在多细胞生物中，基因组的完整性和表观遗传信息的稳定性是维持生命活动的核心。然而，无论是内源性还是外界环境压力，都可能导致DNA损伤，并在细胞内积累，最终引发与年龄相关的病理变化甚至疾病【1】。这些DNA损伤的分布模式及其对细胞功能的影响，一直是研究人员探索的重点。近年来，越来越多的证据表明，DNA损伤与表观遗传修饰之间存在复杂的相互作用, DNA损伤导致的表观遗传修饰的侵蚀被认为是衰老的主要驱动力【2】。然而，由于器官中复杂的细胞组成及DNA损伤形成的随机性，精确分析这些损伤及其功能后果一直面临重大技术障碍。

为了解决上述问题，2025年3月24日，纽约基因组学中心/康奈尔大学医学院朱晨旭课题组在Nature Methods上发表了文章Single-cell parallel analysis of DNA damage and transcriptome reveals selective genome vulnerability，报道了一种高通量单细胞多组学技术——Paired-Damage-seq。这一创新方法能够在单细胞水平上，同时分析氧化损伤、单链DNA损伤及基因表达，精准绘制基因组易损性的细胞类型特异性图谱，为基因组损伤研究开辟了全新视野。

这项技术的核心是一种原位“Labeling-by-repair”的策略，能够在不破坏细胞核完整性的情况下将生物素修饰到DNA损伤位点，因此可以兼容单细胞CUT&Tag和RNA-seq技术实现高通量地从单细胞中获取高质量的DNA损伤位点和转录组数据。

作者首先以培养的HeLa细胞为模型，通过外源性氧化应激处理，验证了Paired-Damage-seq的可靠性。研究表明，DNA损伤并非随机分布, 包括8-氧代鸟嘌呤（8-oxoG）和无嘌呤/无嘧啶（AP）位点在内的DNA损伤，往往更倾向于异染色质区域和重复序列, 氧化DNA损伤的积累与表观遗传信息的丢失密切相关。 Paired-Damage-seq还可以直接将DNA损伤与转录组联系起来，不仅可以区分细胞类型，还能探索损伤形成对基因表达的具体影响。

此外，在小鼠大脑皮层的应用中，作者绘制了细胞类型特异的DNA损伤图谱。作者发现某些细胞类型特异性的基因组区域对DNA损伤最为敏感，这些区域往往也是与年龄相关的表观遗传侵蚀热点。研究人员还发现，这种细胞类型特异的基因组脆弱性可能随着DNA损伤的积累和表观遗传侵蚀而增加疾病风险，揭示了DNA损伤对病理性基因表达的潜在推动作用。例如，兴奋性神经元中的DNA损伤热点与重度抑郁症（MDD）相关，而少突胶质细胞和星形胶质细胞中的DNA损伤热点则与肌萎缩侧索硬化症（ALS）和阿尔茨海默病（AD）相关。

未来，通过联合分析DNA损伤与修复及转录组，可以更深入地探索基因组和表观基因组侵蚀的动态过程，及其在疾病和衰老中的功能性影响。这不仅为基础研究提供了新的工具，也为开发治疗疾病的潜在干预策略提供了重要参考。

纽约基因组学中心博士后研究员柏东生和康奈尔大学医学院博士研究生曹振坤为本论文共同第一作者。纽约基因组学中心/康奈尔大学医学院助理教授朱晨旭为本文的通讯作者。纽约基因组中心研究助理Nivedita Attada 和斯隆凯瑟琳癌症研究中心宋靖慧博士也对研究做出了重要贡献。

论文通讯作者朱晨旭于2017年在北京大学获博士学位（导师伊成器教授）并在UCSD完成博士后研究（导师任兵教授）。2022年加入康奈尔大学医学院以及纽约基因组学中心组建独立实验室，并获得NIH Director’s New Innovator Award (DP2)，NIH Pathway to Independence Award (K99/R00)等多种奖项资助。课题组专注于通过开发单细胞多组学工具来研究发育和衰老过程中的基因调控机制，详情请见：

制版人：十一

参考文献

1. Schumacher, B., Pothof, J., Vijg, J., and Hoeijmakers, J.H.J. (2021). The central role of DNA damage in the ageing process.Nature592, 695-703. 10.1038/s41586-021-03307-7.

2. Yang, J.H., Hayano, M., Griffin, P.T., Amorim, J.A., Bonkowski, M.S., Apostolides, J.K., Salfati, E.L., Blanchette, M., Munding, E.M., Bhakta, M., et al. (2023). Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging.Cell186, 305-326 e327. 10.1016/j.cell.2022.12.027.

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