2024-10-30
在基因组学和表观遗传学研究中，解析染色质的结构和状态对于理解基因调控具有重要意义。染色质的开放性反映了基因组中潜在的活跃区域，包括基因启动子、增强子和转录因子结合位点等，它们调控着基因的表达和细胞的命运。今天我们就用几个知识点来为大家介绍一款开放染色质研究明星产品ATAC-seq。
为什么ATAC-seq是明星产品？ 因为数量多且分数高！ 据统计，ATAC-seq相关文献的发文量从2014年的20篇增长到2023年的1236篇，十年间增长了60多倍且逐年增长，总计达到4852篇。其中影响因子（IF）大于10的高水平文章共有1498篇，占比超过30%，其中以Blood、Cancer Research和Nature Communications等占比最高。 ATAC发文量和期刊统计（数据来自NCBI）
什么是ATAC？ ATAC-seq(Assay for Transposase-Accessible Chromatin with highthroughput sequencing),即利用转座酶探究可接近性染色质高通量测序技术。该技术通过转座酶对特定时空下开放的核染色质区域进行切割，获得在该时空下基因组中所有活跃转录的调控序列。因此，ATAC-seq得到的是全基因组尺度上处于开放状态的染色质区域，并且通过分析染色质开放区域的motif可以获得潜在的活跃转录因子及其靶基因。
染色质的组成 染色质作为遗传信息的载体，储存于细胞核中。染色质是由DNA与蛋白质共同组成的复合结构，其核心单元是核小体。每个核小体由约147个碱基对的DNA缠绕在一个组蛋白八聚体上，这些组蛋白主要包括H2A、H2B、H3和H4。核小体通过连接组蛋白H1相互串联，形成珠串状的结构。这种结构进一步折叠，形成染色质纤维。在更高层次上，染色质纤维继续折叠和组装成更密集的300纳米的结构，最终在细胞分裂时进一步压缩为染色体。
开放染色质 开放染色质在基因表达调控中具有重要作用，因为其结构较为松散，DNA暴露在外，能够被转录因子和其他调控蛋白轻易地接触和结合。开放染色质区域通常对应于基因启动子、增强子等关键调控元件，这些区域的开放性与基因活性密切相关。因此，通过分析开放染色质的分布和状态，研究人员可以识别细胞类型特异性调控区域、解析基因表达的动态变化以及探究在不同生理和病理条件下基因调控的差异。开放染色质的研究有助于理解细胞分化、发育、环境响应等过程中基因表达的调控机制，并提供疾病诊断和治疗的新思路。
ATAC技术原理 利用转座酶Tn5可切割开放染色质区域的特性，对Tn5酶捕获到的DNA序列进行测序。DNA转座，是把DNA序列从染色体的一个区域搬运到另外一个区域的现象，由DNA 转座酶来实现。只要人为地将携带已知DNA序列标签的转座复合物（即下图中带红/蓝色序列标签的转座酶Tn5复合物）与细胞核一起孵育，再利用带P5、P7以及index的引物进行PCR扩增即可形成文库，经过测序就可以得到开放染色质的区域信息。 ATAC-seq技术原理示意图
酶切片段长度分布 由于 Tn5 转座酶优先攻击染色质开放区，酶切片段的长度分布可以反映ATAC-seq实验中Tn5酶用量是否合适。单个核小体是由146bp的DNA缠绕在组蛋白上构成的，适量的Tn5酶只会切割裸露的DNA，而不会切割被核小体保护的DNA，因此正常实验，酶切片段长度分布图中会出现2~3个峰，ATAC-seq 插入片段应该在约 <100、200、400、600bp大小有峰。
什么是DNA Motif？ DNA功能域（Motif）是一段特定模式的DNA序列，它之所以可以具有生物学功能是因为它的特殊序列可以和调控蛋白结合，比如转录因子，从而可以在短暂时间内锚定功能蛋白。通常，DNA功能域的长度为5〜20bp，它可能出现在多个不同的基因附近，也可能在同一基因附近多次出现。 转录起始示意图 多种DNA结合模式
Motif 分析 Motif分析旨在识别开放染色质区域中的调控元件和转录因子结合位点。通过分析ATAC-seq数据，研究者可以识别出富集的短序列模式（motifs），并推测可能的转录因子及其对基因表达的影响。这种分析在基础生物学研究和疾病机制探索中具有重要意义，能够帮助我们理解基因调控网络的动态变化和生物学功能。 派森诺生物深耕表观调控领域多年，使用HOMER软件对Motif进行分析，此方法不仅帮助识别已知的调控元件，还能发现新的潜在Motif，为基因表达调控机制的深入研究提供了宝贵的线索。
项目文章 CUT&Tag、ATAC-seq助力揭秘神经肽信号调控T细胞分化 文章题目：Neuropeptide signaling orchestrates T cell differentiation 文章期刊：Nature 影响因子：50.5 技术手段：CUT&Tag、ATAC-seq、scRNA-seq、bulk RNA-seq 研究背景： TH1细胞通过分泌白细胞介素-2（IL-2）和干扰素-γ（IFNγ）在抵御病毒和细胞内病原体、器官特异性自身免疫疾病的发病机制以及抗肿瘤免疫中起着关键作用。然而，TH细胞亚群之间的失衡可能导致严重疾病的免疫病理学。目前，决定T细胞分化为特定谱系的机制以及促进最佳T细胞分化的调节因子尚未完全了解。 最近的研究表明了神经免疫交叉对话在稳态、感染和过敏性炎症期间对先天免疫细胞的重要性，其中神经肽调节先天免疫反应。反过来，炎症介质也可能调节神经元功能。然而，神经肽是否可以指导T细胞分化或决定感染期间的功能结果尚未得到研究。 技术路线： ATAC部分结果展示：
