ABSTRACT An efficient, generalizable method for genome-wide mapping of single-cell histone modifications or chromatin-binding proteins is so far lacking. Here we develop CoBATCH, co mbinatorial b arcoding a nd t argeted ch romatin release, for single-cell profiling of genomic distribution of chromatin-binding proteins in cell culture and tissue. Protein A in fusion to Tn5 transposase is enriched through specific antibodies to genomic regions and Tn5 generates indexed chromatin fragments ready for the library preparation and sequencing. Importantly, through a combinatorial barcoding strategy, we are able to measure epigenomic features up to tens of thousands single cells per experiment. CoBATCH produces not only high signal-to-noise features, but also ~10,000 reads per cells, allowing for efficiently deciphering epigenetic heterogeneity of cell populations and subtypes and inferring developmental histories. Thus, obviating specialized device, CoBATCH is easily deployable for any laboratories in life science and medicine.

SUMMARY Deciphering mechanisms in cell fate decisions requires single-cell holistic reconstructions of multi-dimensional epigenome in transcriptional regulation. Here we develop CoTECH, a combinatorial barcoding method allowing for high-throughput single-cell joint detection of chromatin occupancy and transcriptome. First, we used CoTECH to examine bivalent histone marks (H3K4me3 and H3K27me3) with transcription from naïve to primed mouse embryonic stem cells. Concurrent bivalent marks in pseudo-single cells linked via transcriptome were computationally derived, resolving pseudotemporal bivalency trajectories and disentangling a context-specific interplay between H3K4me3/H3K27me3 and transcription level. Next, CoTECH with H3K27ac, an active enhancer marker, revealed the regulatory basis of endothelial-to-hematopoietic transition in two waves of hematopoietic cells and distinctive enhancer-gene linking schemes guiding hemogenic endothelial cell (HEC) emergence, indicating a unique epigenetic control of transcriptional regulation for hematopoietic stem cell priming. Together, CoTECH provides an efficient framework for single-cell co-assay of chromatin occupancy and transcription, thus, enabling higher-dimensional epigenomic reconstructions.

Abstract Endothelial cells (ECs) across ages and tissues are highly heterogeneous in developmental origins, structures, functions, and cellular plasticity. Here, we applied CoBATCH for single-cell epigenomic tracing of dynamic EC lineage histories in five mouse organs from development to ageing. Our analyses showed that epigenomic memory reflects both developmental origins and tissue-restricted specialization of EC sublineages but with varying time lengths across organs. To gain insights into cellular plasticity of ECs, we identified bivalent chromatin occupancy of otherwise mutually exclusive EC- (ERG) and mesenchymal-specific (TWIST1/SNAI1) transcription factors promoting endothelial-to-mesenchymal transition. We further revealed that pseudotime trajectories by histone modifications H3K36me3 and H3K27ac faithfully recapitulate short- and long-range EC fate change over senescence, respectively. Together, our data provide a unique exploration of chromatin-level cell fate regulation of organotypic EC lineages across the lifespan. One-Sentence Summary Single-cell chromatin binding is examined for tracing endothelial cell lineages in mouse organs across the lifespan.

In order to illustrate the epigenetic heterogeneity, versatile tools of single-cell ChIP-seq (scChIP-seq) are necessary to meet the convenience and accuracy. Here, we develop MobiChIP, a compatible ChIP-seq library construction method based current sequencing platform with single cell level. As a novel capture strategy, MobiChIP is efficient to capture the fragments from tagmented nuclei of numerous species and execute the mixing of samples from different tissues or species. Especially, this strategy enables the flexible sequencing manipulation and sufficient nucleosome amplification without customized sequencing primers. MobiChIP reveals the landscape of chromatin regulation regions with active (H3K27ac) and repressive (H3K27me3) histone modification markers in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), and accurately unveiled the epigenetic repression of hox gene cluster in PBMCs than ATAC-seq. Meanwhile, we complete the bioinformatics pipeline to integrates the scChIP-seq data and scRNA-seq to illustrate the cellular epigenetic and genetic heterogeneity.