2024-10-30
在基因組學和表觀遺傳學研究中，解析染色質的結構和狀態對于理解基因調控具有重要意義。染色質的開放性反映了基因組中潛在的活躍區域，包括基因啟動子、增強子和轉錄因子結合位點等，它們調控著基因的表達和細胞的命運。今天我們就用幾個知識點來為大家介紹一款開放染色質研究明星產品ATAC-seq。
為什么ATAC-seq是明星產品？ 因為數量多且分數高！ 據統計，ATAC-seq相關文獻的發文量從2014年的20篇增長到2023年的1236篇，十年間增長了60多倍且逐年增長，總計達到4852篇。其中影響因子（IF）大于10的高水平文章共有1498篇，占比超過30%，其中以Blood、Cancer Research和Nature Communications等占比最高。 ATAC發文量和期刊統計（數據來自NCBI）
什么是ATAC？ ATAC-seq(Assay for Transposase-Accessible Chromatin with highthroughput sequencing),即利用轉座酶探究可接近性染色質高通量測序技術。該技術通過轉座酶對特定時空下開放的核染色質區域進行切割，獲得在該時空下基因組中所有活躍轉錄的調控序列。因此，ATAC-seq得到的是全基因組尺度上處于開放狀態的染色質區域，并且通過分析染色質開放區域的motif可以獲得潛在的活躍轉錄因子及其靶基因。
染色質的組成 染色質作為遺傳信息的載體，儲存于細胞核中。染色質是由DNA與蛋白質共同組成的復合結構，其核心單元是核小體。每個核小體由約147個堿基對的DNA纏繞在一個組蛋白八聚體上，這些組蛋白主要包括H2A、H2B、H3和H4。核小體通過連接組蛋白H1相互串聯，形成珠串狀的結構。這種結構進一步折疊，形成染色質纖維。在更高層次上，染色質纖維繼續折疊和組裝成更密集的300納米的結構，最終在細胞分裂時進一步壓縮為染色體。
開放染色質 開放染色質在基因表達調控中具有重要作用，因為其結構較為松散，DNA暴露在外，能夠被轉錄因子和其他調控蛋白輕易地接觸和結合。開放染色質區域通常對應于基因啟動子、增強子等關鍵調控元件，這些區域的開放性與基因活性密切相關。因此，通過分析開放染色質的分布和狀態，研究人員可以識別細胞類型特異性調控區域、解析基因表達的動態變化以及探究在不同生理和病理條件下基因調控的差異。開放染色質的研究有助于理解細胞分化、發育、環境響應等過程中基因表達的調控機制，并提供疾病診斷和治療的新思路。
ATAC技術原理 利用轉座酶Tn5可切割開放染色質區域的特性，對Tn5酶捕獲到的DNA序列進行測序。DNA轉座，是把DNA序列從染色體的一個區域搬運到另外一個區域的現象，由DNA 轉座酶來實現。只要人為地將攜帶已知DNA序列標簽的轉座復合物（即下圖中帶紅/藍色序列標簽的轉座酶Tn5復合物）與細胞核一起孵育，再利用帶P5、P7以及index的引物進行PCR擴增即可形成文庫，經過測序就可以得到開放染色質的區域信息。 ATAC-seq技術原理示意圖
酶切片段長度分布 由于 Tn5 轉座酶優先攻擊染色質開放區，酶切片段的長度分布可以反映ATAC-seq實驗中Tn5酶用量是否合適。單個核小體是由146bp的DNA纏繞在組蛋白上構成的，適量的Tn5酶只會切割裸露的DNA，而不會切割被核小體保護的DNA，因此正常實驗，酶切片段長度分布圖中會出現2~3個峰，ATAC-seq 插入片段應該在約 <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學功能是因為它的特殊序列可以和調控蛋白結合，比如轉錄因子，從而可以在短暫時間內錨定功能蛋白。通常，DNA功能域的長度為5?20bp，它可能出現在多個不同的基因附近，也可能在同一基因附近多次出現。 轉錄起始示意圖 多種DNA結合模式
Motif 分析 Motif分析旨在識別開放染色質區域中的調控元件和轉錄因子結合位點。通過分析ATAC-seq數據，研究者可以識別出富集的短序列模式（motifs），并推測可能的轉錄因子及其對基因表達的影響。這種分析在基礎生物學研究和疾病機制探索中具有重要意義，能夠幫助我們理解基因調控網絡的動態變化和生物學功能。 派森諾生物深耕表觀調控領域多年，使用HOMER軟件對Motif進行分析，此方法不僅幫助識別已知的調控元件，還能發現新的潛在Motif，為基因表達調控機制的深入研究提供了寶貴的線索。
項目文章 CUT&Tag、ATAC-seq助力揭秘神經肽信號調控T細胞分化 文章題目：Neuropeptide signaling orchestrates T cell differentiation 文章期刊：Nature 影響因子：50.5 技術手段：CUT&Tag、ATAC-seq、scRNA-seq、bulk RNA-seq 研究背景： TH1細胞通過分泌白細胞介素-2（IL-2）和干擾素-γ（IFNγ）在抵御病毒和細胞內病原體、器官特異性自身免疫疾病的發病機制以及抗腫瘤免疫中起著關鍵作用。然而，TH細胞亞群之間的失衡可能導致嚴重疾病的免疫病理學。目前，決定T細胞分化為特定譜系的機制以及促進最佳T細胞分化的調節因子尚未完全了解。 最近的研究表明了神經免疫交叉對話在穩態、感染和過敏性炎癥期間對先天免疫細胞的重要性，其中神經肽調節先天免疫反應。反過來，炎癥介質也可能調節神經元功能。然而，神經肽是否可以指導T細胞分化或決定感染期間的功能結果尚未得到研究。 技術路線： ATAC部分結果展示：
