ATAC

生物_醫(yī)藥_科研 2018-12-20

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ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high throughput sequencing）是美國Stanford大學的William Greenleaf教授在2013年所研發(fā)的一種全新方法,，利用DNA轉(zhuǎn)座酶結(jié)合高通量測序技術(shù)，來研究染色體的可進入性,。

ATAC-seq是一種創(chuàng)新的表觀遺傳學研究技術(shù),，該技術(shù)通過轉(zhuǎn)座酶對某種特定時空下開放的核染色質(zhì)區(qū)域進行切割，進而獲得在該特定時空下基因組中所有活躍轉(zhuǎn)錄的調(diào)控序列,。

在理解這個技術(shù)之前,，需要先認識一下染色體的結(jié)構(gòu)。

染色體主要由DNA和蛋白質(zhì)組成,，每一條染色單體由單個線性DNA分子組成,，細胞核中的DNA是經(jīng)過高度有序的包裝，包裝分為多個水平,，核小體核心顆粒(nucleosome core particle),、染色小體(chromatosome)、 30 nm水平染色質(zhì)纖絲(30 nm fibre)和高于30 nm水平的染色體包裝,。

染色體的組成

（引自Annunziato, A.DNA Packaging: Nucleosomes and Chromatin. Nature Education, 2008,1(1):26）

DNA的復(fù)制,，基因的轉(zhuǎn)錄，需要將DNA的高級結(jié)構(gòu)解開,，這部分打開的染色質(zhì),，稱為開放染色質(zhì)（open chromatin），而打開的染色質(zhì),，就允許一些調(diào)控蛋白（比如轉(zhuǎn)錄因子和輔因子）與之結(jié)合,。染色質(zhì)的這種特性，叫做染色質(zhì)的可及性（chromatin accessibility）,。

ATAC-seq示意圖

（引自William J.Greenleaf, Jason D. Buenrostro, et al. Transposition of native chromatin for multimodal regulatory analysis and personal epigenomics. Nat Methods. 2013, 10(12): 1213–1218.）

DNA轉(zhuǎn)座,，是一種把DNA序列從染色體的一個區(qū)域搬運到另外一個區(qū)域的現(xiàn)象，由DNA轉(zhuǎn)座酶來實現(xiàn),。這種轉(zhuǎn)座插入DNA,，需要插入位點的染色質(zhì)是開放的，否則就會被高級結(jié)構(gòu)卡住,。需要人為地將攜帶已知DNA序列標簽的轉(zhuǎn)座復(fù)合物（即帶著測序標簽的轉(zhuǎn)座酶）,，加入到細胞核中，再利用已知序列的標簽進行建庫后測序,，就知道哪些區(qū)域是開放染色質(zhì)了,，這也就是ATAC-seq的原理。

技術(shù)流程

制備細胞懸液
裂解細胞膜,，獲取細胞核
采用Tn5進行酶切
回收DNA片段,，PCR擴增建庫
高通量測序
大量的生信分析

技術(shù)應(yīng)用

重大疾病發(fā)病機制：癌癥、生殖系統(tǒng),、糖尿病等疾病發(fā)病機制

藥物相關(guān)研究：藥物作用機制、新藥研發(fā)、耐藥性及敏感性研究

潛在標志物預(yù)測：臨床生物標志物發(fā)現(xiàn),、生物標志物功能研究

染色體結(jié)構(gòu)研究：染色體開發(fā)性圖譜繪制、核小體定位預(yù)測,、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點分析

案例分析

1. 重大疾病發(fā)病機制

該項目的研究課題為討論人小細胞肺癌促進癌癥擴散轉(zhuǎn)移的背景機制。主要為比較原發(fā)性和肝轉(zhuǎn)移性的小細胞肺癌細胞之間的差異,。利用ATAC-seq,，發(fā)現(xiàn)NFI家族轉(zhuǎn)錄因子富集在具有差異的染色質(zhì)開放位點中，預(yù)示著NFI家族轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控腫瘤細胞轉(zhuǎn)移中扮演著重要角色,。在染色質(zhì)高開放性位點區(qū)域伴隨著Nfib拷貝數(shù)量增多,，且Nfib在侵襲性原發(fā)性腫瘤和轉(zhuǎn)移性腫瘤內(nèi)高表達，Nfib表現(xiàn)出維持染色質(zhì)及遠端調(diào)控區(qū)域開放和促進神經(jīng)基因表達的功能,，說明了Nfib對促進癌細胞增殖和遷移具有重要的作用,。

ATAC-seq與ChIP聯(lián)合分析

（引自Sarah K. Denny,1,Dian Yang, et al.Nfib Promotes Metastasis through a Widespread Increase in Chromatin Accessibility. Cell ,2016, 166(2): 328–342. http://dx./10.1016/j.cell.2016.05.052）

2. motif分析轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合蛋白

對處于發(fā)育過程中的黑腹果蠅眼睛及其通過遺傳誘導(dǎo)的腫瘤模型，利用ATAC-seq技術(shù)分析染色質(zhì)開放區(qū)域已在活體中發(fā)現(xiàn)驅(qū)動腫瘤發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子及調(diào)控區(qū)域,。然后對找到的染色質(zhì)活性開放區(qū)域進行轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測分析,，發(fā)現(xiàn)了兩個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，猜測它們可能與染色質(zhì)圖譜的變化有關(guān),。通過對候選的一個轉(zhuǎn)錄因子進行功能驗證和靶標分析,，發(fā)現(xiàn)其為腫瘤轉(zhuǎn)錄組中的一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。

Motif分析

（引自Davie K, Jacobs J, et al. Discovery of Transcription Factors and Regulatory Regions Driving In Vivo Tumor Development by ATAC-seq and FAIRE-seq Open Chromatin Profiling. Plos Genetics, 2015, 11(2):e1004994.）