ATAC-seq测序的原理及应用

ATAC-seq测序的原理及应用
ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing) 是一种研究染色质可及性的分子生物学方法。

这种技术于2013年由Buenrostro等人在Nature Methods期刊中的论文 'Transposition of native chromatin for fast and sensitive epigenomic profiling of open chromatin, DNA-binding proteins and nucleosome position'提出。

这种方法可作为 MNase-seq (sequencing of micrococcal nuclease sensitive sites), FAIRE-seq 及 DNAse-seq等方法的补充或替代. 这种方法的目的是鉴定DNA的可触及区域，即未被组蛋白保护的开放区域，相当于DNase I 能够起作用的区域。

1. ATAC－seq简价
ATAC－seq实验的操作方法如下图所示。

即对核基因组DNA中开放区域，用Tn5转座酶，将其切割下来，构建成测序文库，进行测序和分析。

图1 ATAC－seq建库示意图
图2 ATAC－seq测序数据分析示例图（片段大小分布及染色质状态分析）
2. ATAC－seq的应用
真核细胞通过将基因组DNA与组蛋白进行不同层次的折叠组装成染色质，这些精密组装信息在基因转录调控中起决定性作用。

染色质区域的可接近性是特异性反式作用因子和顺式调控元件相互作用的前提，基因表达的异常或者染色质调控因子的改变都将对细胞的命运产生深远的影响，进而导致各种疾病的发生、发展。

目前该技术已被广泛应用于转录调控序列的鉴定。

ATAC-seq技术可运用于所有真核细胞重编程的研究，在医学领域是重大疾病发病机制、药物作用机制、新药研发和生物标志物功能等研究的新一代有利工具。

目前ATAC－seq的应用具体包括如下几种主要类型：
1. 染色体开放性图谱绘制（所有物种适用）
2. 作物表观修饰差异研究（主要包括水稻、玉米、小麦等）
3. 胚胎发育表观遗传修饰（胚胎学发育研究）
4. 肿瘤发生表观机制研究（肿瘤标记及病理研究）
5. 疾病潜在标志物的预测（病理及生物标记）
6. 肿瘤异质性或分型研究（肿瘤分型与微环境研究）
例如2017年12月Plant Cell发表了一篇题为《Profiling of AccessibleChromatin Regions Across Multiple Plant Species and Cell Types Reveals CommonGene Regulatory Principles and New Control Modules》的文章，作者是埃默里大学的Roger B. Deal。

这篇文章用ATAC-seq技术来研究四种不同植物的转录调控位点。

作者分析了拟南芥，苜蓿，番茄，水稻四个物种中根尖细胞中THS (transposase hypersensitive sites)的数目以及到TSS的距离，发现除了番茄每个基因平均的THS数目相比其他三个物种较高，其他数据在不同物种中有较好的一致性。

通过研究根毛细胞（root hair cells, H）和无根毛表皮细胞（root epidermal non-hair cells, NH）不同细胞的ATAC-seq数据，发现绝大多数的THS区域是相似的，细胞特有的THS（dTHS）大约有几千个。

通过对两种细胞的转录因子进行分析，发现在根毛细胞中表达量更高的转录因子，其结构域与根毛细胞的dTHS序列有着显著的关联性。

作者着重分析了ABI5, MYB33和 NAC083这三个转录因子，发现了一个根毛细胞特有的MYB调控模型，能同时控制细胞调节器（cell fate regulators）和非生物应激反应。

图3 ATAC－seq与其他类似方法的测序结果比较
3.ATAC－seq的优点
（1）所需的生物样本量小：ATAC-seq只需50000个细胞；而MNase-seq或DNase-seq建库所需生物样本量为1000倍以上。

（2）快速：整个建库操作流程不到3小时。

4. ATAC－seq的样本准备与实验流程
4.1 样本要求
（1）制备至少含有1×105个细胞的细胞沉淀（推荐2.0×106个细胞），并在样品表上注明总细胞数量。

（2）用磷酸缓冲液（PBS）将离心细胞沉淀洗涤至少一次（推荐三次），并将细胞沉淀置于1 mL小瓶或管中。

（3）加入相应的细胞冻存液将细胞沉淀物冻存。

（4）为避免运输过程中的破碎，我们强烈建议将样品管放在一个维持器中，如一个50 mL的管子或一个带有内部支架/支架的箱子。

棉絮和吸水纸可用于固定支架保持管不移动。

（5）对于细胞沉淀样品，我们建议使用1.5mL或2 mL螺旋盖微量离心管。

包装前请使用Parafilm密封每个管。

（6）请用干冰运输样品到本平台，不超过48 h。

（7）样品保存期间切忌反复冻融。

4.2 建库测序与分析流程
4.3 其他要求
ATAC-seq一般用PE150测15G数据，可根据需求适当调整。