2024-10-30
在(zai)基(ji)(ji)因(yin)組學和(he)表觀遺傳學研究中，解析染色(se)質(zhi)的結構和(he)狀態對于理解基(ji)(ji)因(yin)調(diao)控具有重要意義。染色(se)質(zhi)的開放性反映(ying)了基(ji)(ji)因(yin)組中潛在(zai)的活(huo)躍區域(yu)，包(bao)括(kuo)基(ji)(ji)因(yin)啟動子、增強子和(he)轉錄因(yin)子結合位點(dian)等，它們調(diao)控著基(ji)(ji)因(yin)的表達和(he)細(xi)胞的命運。今天我們就(jiu)用(yong)幾個(ge)知(zhi)識點(dian)來為大家介紹一款(kuan)開放染色(se)質(zhi)研究明星產品ATAC-seq。
為什么ATAC-seq是明星產品？ 因為(wei)數(shu)(shu)量多(duo)且(qie)分(fen)數(shu)(shu)高！ 據統(tong)計，ATAC-seq相關文獻的(de)發(fa)文量從2014年(nian)(nian)的(de)20篇(pian)(pian)增長(chang)到2023年(nian)(nian)的(de)1236篇(pian)(pian)，十年(nian)(nian)間(jian)增長(chang)了(le)60多倍且逐年(nian)(nian)增長(chang)，總計達到4852篇(pian)(pian)。其中影響因子（IF）大于10的(de)高水平(ping)文章共有1498篇(pian)(pian)，占比(bi)超過(guo)30%，其中以Blood、Cancer Research和(he)Nature Communications等占比(bi)最(zui)高。 ATAC發文(wen)量和期刊統計（數據來(lai)自NCBI）
什(shen)么是(shi)ATAC？ ATAC-seq(Assay for Transposase-Accessible Chromatin with highthroughput sequencing),即利用轉(zhuan)座(zuo)酶(mei)探究可接(jie)近性(xing)染(ran)色(se)質(zhi)高通(tong)量(liang)測序技(ji)術。該技(ji)術通(tong)過(guo)轉(zhuan)座(zuo)酶(mei)對特(te)定時空下(xia)開(kai)(kai)放(fang)(fang)的(de)核染(ran)色(se)質(zhi)區域進行(xing)切(qie)割，獲得在(zai)該時空下(xia)基因組中所(suo)有活躍轉(zhuan)錄(lu)的(de)調控序列(lie)。因此(ci)，ATAC-seq得到的(de)是全基因組尺度上處于開(kai)(kai)放(fang)(fang)狀態的(de)染(ran)色(se)質(zhi)區域，并(bing)且(qie)通(tong)過(guo)分析染(ran)色(se)質(zhi)開(kai)(kai)放(fang)(fang)區域的(de)motif可以(yi)獲得潛在(zai)的(de)活躍轉(zhuan)錄(lu)因子及其靶基因。
染(ran)色質的組成(cheng) 染色質(zhi)作為(wei)遺(yi)傳信息的(de)載體(ti)，儲存于細胞核(he)中。染色質(zhi)是由(you)DNA與蛋(dan)白質(zhi)共同組成(cheng)的(de)復合結構，其(qi)核(he)心單(dan)元是核(he)小體(ti)。每個(ge)(ge)核(he)小體(ti)由(you)約147個(ge)(ge)堿(jian)基對的(de)DNA纏繞在(zai)一個(ge)(ge)組蛋(dan)白八(ba)聚體(ti)上，這些組蛋(dan)白主要包括H2A、H2B、H3和(he)H4。核(he)小體(ti)通過連接組蛋(dan)白H1相互串聯，形(xing)成(cheng)珠串狀的(de)結構。這種(zhong)結構進一步折疊(die)，形(xing)成(cheng)染色質(zhi)纖維。在(zai)更高(gao)層次上，染色質(zhi)纖維繼續折疊(die)和(he)組裝成(cheng)更密集的(de)300納(na)米的(de)結構，最終(zhong)在(zai)細胞分裂時進一步壓縮(suo)為(wei)染色體(ti)。
開放染色質 開放(fang)染(ran)色(se)質在(zai)基(ji)因(yin)(yin)表達調(diao)(diao)控(kong)中具有重要作用，因(yin)(yin)為其結(jie)構較為松散(san)，DNA暴露(lu)在(zai)外，能夠被(bei)轉錄(lu)因(yin)(yin)子(zi)和(he)(he)(he)其他(ta)調(diao)(diao)控(kong)蛋白輕易地接(jie)觸和(he)(he)(he)結(jie)合(he)。開放(fang)染(ran)色(se)質區域(yu)通常(chang)對(dui)應(ying)于(yu)基(ji)因(yin)(yin)啟(qi)動子(zi)、增強(qiang)子(zi)等關鍵調(diao)(diao)控(kong)元件，這些區域(yu)的(de)開放(fang)性(xing)與基(ji)因(yin)(yin)活(huo)性(xing)密切相關。因(yin)(yin)此，通過(guo)(guo)分析(xi)開放(fang)染(ran)色(se)質的(de)分布和(he)(he)(he)狀態(tai)，研(yan)究(jiu)人員可以識別細胞類型特異性(xing)調(diao)(diao)控(kong)區域(yu)、解析(xi)基(ji)因(yin)(yin)表達的(de)動態(tai)變化(hua)(hua)以及探究(jiu)在(zai)不同生理(li)和(he)(he)(he)病(bing)理(li)條(tiao)件下(xia)基(ji)因(yin)(yin)調(diao)(diao)控(kong)的(de)差異。開放(fang)染(ran)色(se)質的(de)研(yan)究(jiu)有助于(yu)理(li)解細胞分化(hua)(hua)、發(fa)育、環境(jing)響應(ying)等過(guo)(guo)程中基(ji)因(yin)(yin)表達的(de)調(diao)(diao)控(kong)機制，并提供疾病(bing)診斷和(he)(he)(he)治療的(de)新思路。
ATAC技術原理(li) 利用轉座酶(mei)Tn5可切割開放染色質區域的特性，對Tn5酶(mei)捕獲(huo)到的DNA序(xu)列進(jin)行測序(xu)。DNA轉座，是把DNA序(xu)列從染色體的一個(ge)區域搬運到另外一個(ge)區域的現象，由DNA 轉座(zuo)酶(mei)來實現。只要人為地將攜(xie)帶(dai)已(yi)知DNA序(xu)列(lie)標簽(qian)的轉座(zuo)復合(he)物（即下(xia)圖中帶(dai)紅/藍色序(xu)列(lie)標簽(qian)的轉座(zuo)酶(mei)Tn5復合(he)物）與細(xi)胞核一起孵育(yu)，再利用帶(dai)P5、P7以及(ji)index的引物進行PCR擴增即可(ke)形成(cheng)文(wen)庫，經過測序(xu)就可(ke)以得到(dao)開放染色質的區域信息。 ATAC-seq技術原理(li)示意圖
酶切片段長度分布 由于 Tn5 轉座酶(mei)(mei)優先(xian)攻擊染色質開(kai)放(fang)區，酶(mei)(mei)切(qie)(qie)片(pian)段的(de)長(chang)度分(fen)布(bu)可以反映ATAC-seq實(shi)驗中Tn5酶(mei)(mei)用量(liang)是(shi)否合適。單個(ge)核(he)(he)小(xiao)體是(shi)由146bp的(de)DNA纏繞(rao)在組(zu)蛋白上構成的(de)，適量(liang)的(de)Tn5酶(mei)(mei)只會切(qie)(qie)割裸露的(de)DNA，而不會切(qie)(qie)割被核(he)(he)小(xiao)體保護的(de)DNA，因此正常實(shi)驗，酶(mei)(mei)切(qie)(qie)片(pian)段長(chang)度分(fen)布(bu)圖中會出現(xian)2~3個(ge)峰，ATAC-seq 插入片(pian)段應該在約 <;100、200、400、600bp大小(xiao)有峰。
什么是DNA Motif？ DNA功能(neng)域（Motif）是一段(duan)特定模式的(de)DNA序列，它之所以(yi)可(ke)(ke)以(yi)具有生(sheng)物學功能(neng)是因(yin)為它的(de)特殊序列可(ke)(ke)以(yi)和調控蛋(dan)白結合(he)，比如轉(zhuan)錄因(yin)子，從而可(ke)(ke)以(yi)在短(duan)暫時(shi)間內(nei)錨定功能(neng)蛋(dan)白。通常，DNA功能(neng)域的(de)長度為5?20bp，它可(ke)(ke)能(neng)出現在多個不同的(de)基因(yin)附近(jin)，也可(ke)(ke)能(neng)在同一基因(yin)附近(jin)多次出現。 轉錄起始示意圖 多種(zhong)DNA結合模(mo)式
Motif 分析 Motif分(fen)析旨在(zai)識(shi)別開放染色質區域中的(de)(de)調控元件(jian)和(he)(he)轉錄因子(zi)結合位點。通(tong)過分(fen)析ATAC-seq數據，研究者可以(yi)識(shi)別出(chu)富集的(de)(de)短序(xu)列模式(shi)（motifs），并(bing)推(tui)測可能(neng)的(de)(de)轉錄因子(zi)及其對基因表(biao)達的(de)(de)影(ying)響。這種分(fen)析在(zai)基礎生(sheng)物學研究和(he)(he)疾(ji)病機制探索中具有重要意義，能(neng)夠幫助我們理解基因調控網絡的(de)(de)動態(tai)變化和(he)(he)生(sheng)物學功(gong)能(neng)。 派森諾(nuo)生物(wu)深耕表觀調(diao)控領(ling)域多年(nian)，使用HOMER軟件對Motif進行(xing)分(fen)析，此方法不僅幫助(zhu)識(shi)別已知(zhi)的(de)調(diao)控元件，還能(neng)發(fa)現新的(de)潛在(zai)Motif，為基因表達調(diao)控機制的(de)深入研究提供了寶貴的(de)線索。
項目(mu)文章(zhang) CUT&Tag、ATAC-seq助力揭秘神經(jing)肽信號(hao)調控T細胞分化 文章題目：Neuropeptide signaling orchestrates T cell differentiation 文(wen)章期(qi)刊：Nature 影(ying)響因子：50.5 技(ji)術手段：CUT&Tag、ATAC-seq、scRNA-seq、bulk RNA-seq 研究背(bei)景： TH1細(xi)胞通過分泌白(bai)細(xi)胞介素-2（IL-2）和干擾(rao)素-γ（IFNγ）在抵御病(bing)(bing)(bing)毒和細(xi)胞內(nei)病(bing)(bing)(bing)原體、器官(guan)特(te)(te)異性(xing)自(zi)身免(mian)疫(yi)疾病(bing)(bing)(bing)的(de)發病(bing)(bing)(bing)機制以及抗腫瘤免(mian)疫(yi)中起著關鍵作用(yong)。然而(er)，TH細(xi)胞亞群之間的(de)失衡(heng)可能導致嚴重疾病(bing)(bing)(bing)的(de)免(mian)疫(yi)病(bing)(bing)(bing)理學。目(mu)前，決定(ding)T細(xi)胞分化為特(te)(te)定(ding)譜系的(de)機制以及促進最(zui)佳T細(xi)胞分化的(de)調節因子尚未(wei)完全了解(jie)。 最近(jin)的研究(jiu)表明了神(shen)經(jing)免(mian)疫(yi)交叉(cha)對話(hua)在(zai)穩(wen)態、感染和過敏性(xing)炎癥期間對先天免(mian)疫(yi)細胞(bao)的重要性(xing)，其中神(shen)經(jing)肽調節先天免(mian)疫(yi)反(fan)應。反(fan)過來，炎癥介質也可(ke)能調節神(shen)經(jing)元功(gong)能。然而，神(shen)經(jing)肽是否(fou)可(ke)以指導T細胞(bao)分化或決定感染期間的功(gong)能結果尚未(wei)得到研究(jiu)。 技術路線： ATAC部(bu)分結果展(zhan)示：
