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ATAC-seq(Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high throughput sequencing)是美国Stanford大学的William Greenleaf教授在2013年所研发的一种全新方法,利用DNA转座酶结合高通量测序技术,来研究染色体的可进入性。

ATAC-seq是一种创新的表观遗传学研究技术,该技术通过转座酶对某种特定时空下开放的核染色质区域进行切割,进而获得在该特定时空下基因组中所有活跃转录的调控序列。

在理解这个技术之前,需要先认识一下染色体的结构。

染色体主要由DNA和蛋白质组成,每一条染色单体由单个线性DNA分子组成,细胞核中的DNA是经过高度有序的包装,包装分为多个水平,核小体核心颗粒(nucleosome core particle)、染色小体(chromatosome)、 30 nm水平染色质纤丝(30 nm fibre)和高于30 nm水平的染色体包装。

染色体的组成

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

DNA的复制,基因的转录,需要将DNA的高级结构解开,这部分打开的染色质,称为开放染色质(open chromatin),而打开的染色质,就允许一些调控蛋白(比如转录因子和辅因子)与之结合。染色质的这种特性,叫做染色质的可及性(chromatin accessibility)。

ATAC-seq示意图

(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转座,是一种把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。这种转座插入DNA,需要插入位点的染色质是开放的,否则就会被高级结构卡住。需要人为地将携带已知DNA序列标签的转座复合物(即带着测序标签的转座酶),加入到细胞核中,再利用已知序列的标签进行建库后测序,就知道哪些区域是开放染色质了,这也就是ATAC-seq的原理。

技术流程

  • 制备细胞悬液
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  • 裂解细胞膜,获取细胞核
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  • 采用Tn5进行酶切
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  • 回收DNA片段,PCR扩增建库
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  • 高通量测序
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  • 大量的生信分析

技术应用

重大疾病发病机制:癌症、生殖系统、糖尿病等疾病发病机制

药物相关研究:药物作用机制、新药研发、耐药性及敏感性研究

潜在标志物预测:临床生物标志物发现、生物标志物功能研究

染色体结构研究:染色体开发性图谱绘制、核小体定位预测、转录因子结合位点分析

案例分析

1. 重大疾病发病机制

该项目的研究课题为讨论人小细胞肺癌促进癌症扩散转移的背景机制。主要为比较原发性和肝转移性的小细胞肺癌细胞之间的差异。利用ATAC-seq,发现NFI家族转录因子富集在具有差异的染色质开放位点中,预示着NFI家族转录因子在调控肿瘤细胞转移中扮演着重要角色。在染色质高开放性位点区域伴随着Nfib拷贝数量增多,且Nfib在侵袭性原发性肿瘤和转移性肿瘤内高表达,Nfib表现出维持染色质及远端调控区域开放和促进神经基因表达的功能,说明了Nfib对促进癌细胞增殖和迁移具有重要的作用。

ATAC-seq与ChIP联合分析

(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.doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.052)

2. motif分析转录因子结合蛋白

对处于发育过程中的黑腹果蝇眼睛及其通过遗传诱导的肿瘤模型,利用ATAC-seq技术分析染色质开放区域已在活体中发现驱动肿瘤发育的转录因子及调控区域。然后对找到的染色质活性开放区域进行转录因子预测分析,发现了两个关键的转录因子,猜测它们可能与染色质图谱的变化有关。通过对候选的一个转录因子进行功能验证和靶标分析,发现其为肿瘤转录组中的一个关键的转录调控因子。

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.)