颠覆！几百个细胞就能捕获全基因组活性调控序列！

● 2012年，美国华盛顿大学的科学家在Nature上发布了人类125种细胞和组织中的染色质结构开放区域超敏位点图谱，将这些信息与ENCODE中数据整合鉴定，初步阐明了染色质结构开放性、转录调控、表观修饰和调控因子之间的关系^[1]；

● 2013年斯坦福大学的William J. Greenleaf等研究人员在Nature Methods首次提出，ATAC-Seq（Assay for Transposase Accessible Chromatin using sequencing），利用少量细胞便可获得实时全基因组活性调控序列信息，四两拨千斤，为表观基因组学研究提供了强有力的工具^[2]；

● 2015年7月，斯坦福大学的研究将单细胞ATAC-Seq技术发表在Nature上^[3]；

● 2016年6月，清华大学、北京大学等机构研究人员Nature发布，通过ATAC-Seq绘制了哺乳动物胚胎细胞调控活性图谱^[4]；

● 2016年10月，美国儿童癌症和血液疾病中心研究人员Science上发布，利用ATAC-Seq技术定位并对比免疫细胞的调控活性区域，在CAR-T细胞免疫疗法上有重大突破^[5]；

● 2017年6月，国科大和中科院的研究人员在Cancer Cell上发布，利用ATAC-Seq技术揭示了T细胞淋巴癌的表观遗传调控机制^[6]；

● 2017年8月，斯坦福大学的研究人员再次突破，通过改进ATAC-Seq技术，大大提高了该技术的临床样本适应范围，并发表在Nature Mothods^[7]。

… …

故事还在继续，短短几年，利用该技术发表的SCI论文已有上百篇，其中数十篇发表在世界顶尖杂志。

论文发表情况（数据来自PubMed，关键词ATAC-Seq）

ATAC-Seq到底是什么技术，能获得众多科研人员的青睐，助发高分文章如探囊取物？

什么是ATAC-Seq？

ATAC-Seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using Sequencing）技术是利用转座酶可以攻击开放状态的染色质并催化转座子整合到基因组的特性，华大使用改造后活性极高的Tn5 转座酶，攻击开放状态的染色质区域，对开放染色质区域进行捕获和测序，最终通过ATAC-Seq获取全基因组染色质开放性信息及调控活性图谱。

图1 ATAC-Seq技术原理图解

什么是染色质开放性？

真核生物基因组中大多数的染色质都紧紧盘绕在细胞核内，但也有一些区域经染色质重塑后呈现出松散的状态，以便于转录调控因子与顺式调控元件的结合；按功能状态的不同，可将染色质分为活性染色质和非活性染色质。染色质是否处于活性状态是决定转录调控功能的关键因素 。

图2 活性染色质与非活性染色质图解

ATAC-Seq到底能做哪些研究?

1

全基因组调控活性图谱分析

染色质结构的改变会对细胞的命运产生极大影响，染色质结构开放程度影响蛋白结合程度，开放程度也直接反映了染色质转录活性，因此，对特定时间空间下染色质开放区域进行捕获，获得全基因组调控活性区域信息，对基因表达调控网络研究具有重要意义。

通过 ATAC-Seq数据分析，可以获得高置信度的染色体结构开放区域。结合reads分布和 Peak检测结果，绘制出每个样品在整个基因组水平上的调控活性图谱。

图3 全基因组调控活性图谱

2

核小体精准定位

由DNA和组蛋白形成的核小体是构成真核细胞染色质的基本结构单位，每个核小体由146bp的DNA缠绕组蛋白八聚体约1.65圈形成，核小体与核小体之间通过20-50bp的连接DNA相连，DNA与组蛋白的结合并不是固定不变的，没有核小体结合的DNA区域易于各种调节蛋白的接近和结合。在基因组上核小体位置的精确确定称为核小体定位，它的定位变化总是伴随着基因从抑制到转录状态的转变，核小体定位在转录调控、DNA复制和修复等多种细胞过程中有重要研究价值，也是目前表观遗传学研究的热点。

结合核小体结构特征和ATAC-Seq插入片段分布进行分析，将插入片段105bp以内的片段判定为NFR区域（核小体缺失区域），将105-250bp插入片段判定为核小体分布区域，进而对核小体进行精准定位。

图4 各样品插入片段分布情况（左）；核小体定位预测模型（右）

3

转录因子结合分析

真核生物基因表达是一个复杂而有序的过程，它是众多反式作用因子和顺式作用元件之间相互作用的结果，特定时间空间下又有哪些反式作用因子和顺式作用元件互作参与？

反式作用因子是指能直接或间接识别和结合在顺式作用元件上，调控靶基因表达的蛋白质因子，一般也称为转录因子（transcriptional factor,TF），转录因子结合位点(Transcription factor binding site, TFBS)是与转录因子结合的DNA 序列。确定TFBS是理解转录调控机制, 建立转录调控网络的关键问题。通过ATAC-Seq转录因子足迹分析（TF footprinting analysis）, 可对TF结合情况进行预测，甚至进一步对全转录因子结合进行分析。

图5 转录因子结合预测模型

ATAC-Seq技术稳定可靠吗？

科技君针对driverDB数据库中宫颈鳞状细胞癌447个驱动基因，对hela细胞进行检测，在这些基因上的peak分布结果显示，80%以上驱动基因都能检测到显著富集peak存在，验证了ATAC-Seq技术的准确性高、技术重复性好。同时不同细胞起始量、新鲜和冻存组织结果一致性高，不同技术一致性理想，进一步说明了技术的准确性和稳定性。

图6 实测数据展示

华大的ATAC-Seq有哪些优势？

01

化繁为简  实验流程精简，交付周期更短，样本适应范围更广

02

准确性高  与同类技术（DNase-Seq等)一致性高，技术重复性好

03

起始量低  同类技术所需细胞最少，适用于临床样本（100个-5万细胞）

04

性价比高  依托华大基因BGISEQ-500平台强大测序实力，更高性价比

05

更多信息  获得信息量最大的表观组学测序技术（全基因组调控活性图谱等）

华大基因依托BGISEQ-500平台强大的测序实力，正式推出高性价比的表观组学研究利器ATAC-Seq！科技君是不是王婆卖瓜？试过就知道了！

华大表观研究团队简介

华大表观基因组学团队拥有十多年的表观组学项目经验，交付了上万个项目，数十万样本，与合作伙伴发布了上百篇相关文献，参与了全球最大的表观遗传研究项目（Epitwin）和炎黄甲基化项目等国际重大项目的开发，拥有世界一流的表观组学信息分析团队，是您首选的科技合作伙伴。

参考文献

[1] Thurman R E, Rynes E, Humbert R, et al. The accessible chromatin landscape of the human genome. Nature.2012 Sep.

[2] Greenleaf WJ, et al.Transposition of native chromatin for fast and sensitive epigenomic profiling of open chromatin, DNDNA-binding proteins and nucleosome position . Nat Methods.2013 Dec.

[3] Buenrostro J D, Wu B, Litzenburger U M, et al. Single-cell chromatin accessibility reveals principles of regulatory variation. Nature.2015 July.

[4]Wu J, Huang B, et al.The landscape of accessible chromatin in mammalian preimplantation embryos. Nature. 2016 Jun.

[5] Sen DR, Kaminski J, et al. The epigenetic landscape of T cell exhaustion. Science. 2016 Dec.

[6] Qu K, Zaba L C, Satpathy A T, et al. Chromatin Accessibility Landscape of Cutaneous T Cell Lymphoma and Dynamic Response to HDAC Inhibitors. Cancer Cell. 2017 July.

[7] Corces M R, Trevino A E, Hamilton E G, et al. An improved ATAC-seq protocol reduces background and enables interrogation of frozen tissues. Nature Methods. 2017 Aug.

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撰稿：任浩凡

编辑：市场部

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