查看: 107|回复: 1

[其他] 表观遗传系列:染色质易接近性研究

[复制链接]
  • TA的每日心情

    前天 14:14
  • 签到天数: 74 天

    连续签到: 1 天

    [LV.6]常住居民II

    管理员

    Rank: 15Rank: 15Rank: 15Rank: 15Rank: 15

    主题
    164
    奥币
    329
    积分
    2590
    注册时间
    2018.4.19
    在线时间
    482 小时

    推广达人宣传达人


    发表于 2019.1.7 10:04:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
    真核生物的核DNA并不是裸露的,而是与组蛋白结合形成染色体的基本结构单位核小体,每个核小体由147bp的DNA缠绕组蛋白八聚体形成,核小体核心颗粒之间通过50bp左右的连接DNA相连。
    DNA的复制转录是需要将DNA的紧密结构打开,从而允许一些调控因子结合(转录因子或其他调控因子)。多数基因组中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,这部分无核小体的裸露DNA区域被称为开放染色质(open chromatin),而DNA复制和基因转录都发生在这些区域。

    染色质的这种特性叫做染色质的易接近性(chromatin accessibility),通过研究细胞特定状态下开放的染色质区域可以在DNA水平上了解其转录调控。


    图1  染色质易接近性分析示意图

    研究技术介绍

    开放染色质的研究方法有很多,如ATAC-seq、DNase-Seq、MNase-seq及FAIRE-seq等。
    DNase-Seq利用DNaseI内切酶识别核小体缺失的开放染色质区域,所需细胞量多,样品处理复杂;FAIRE-Seq(Formaldehyde-Assisted Isolation of Regulatory Elements with High-throughput Sequencing,甲醛辅助分离调控元件测序)主要基于甲醛固定,然后用酚-氯仿分离未结合核小体的DNA片段,信噪比低,数据解释困难,结果依赖甲醛固定效率;ATAC-seq(Assayfor Transposase Accessible Chromatin with high-throughput sequencing,染色质易开放区域测序)利用Tn5转座酶切割未结合核小体或蛋白基因组区域,所需细胞量少,实验步骤简单;MNase-seq(sequencingof micrococcal nuclease sensitive sites,微球菌核酸酶敏感位点测序)与以上技术相反,是利用微球菌核酸酶MNase对染色质进行消化,主要用来鉴定核小体区域;


    图2  染色质易接近性研究技术示意图[1]

    相比较于其他技术,ATAC-Seq所需细胞量少,实验简单,可以在全基因组范围内检测染色质的开放状态、核小体位置及TF结合位点,目前已经成为研究染色质开放性的首选技术方法。加上10xGenomics最近推出了一款新的产品—10xscATAC-seq(10x单细胞ATAC测序),可以在单细胞层面精确研究全基因组开放图谱,相信借着这一新的技术,ATAC势必会迎来一场新的研究热潮。
    文章链接:10xGenomics表观新产品来袭——单细胞ATAC-seq

    ATAC-seq介绍

    ATAC-seq(Assayfor Transposase Accessible Chromatin with high-throughput sequencing,染色质易开放区域测序)利用Tn5转座酶切割染色质的开放区域,并加上测序引物进行高通量测序,通过生物信息分析得到全基因组染色质开放图谱,鉴定TF结合位点和核小体区域位置。


    图3  ATAC-seq示意图[2]

    带有测序接头(红色和蓝色)的Tn5转座酶(绿色),只插入开放染色质区域。获取细胞样本后需提取细胞核,在细胞核悬液中加Tn5转座酶进行转座反应,Tn5转座酶在切割DNA时便已加入接头序列,反应完成后纯化DNA片段;随后利用扩增产物进行PCR扩增并纯化,构建测序文库。库检合格后上机测序,获得待测开放染色质区域片段的序列信息。

    研究设计思路

    ATAC单一组学通过ATAC-seq可以获得丰富的表观遗传信息,包括开放染色质图谱、核小体定位、TF结合位点,并通过鉴定染色质开放区域中TF结合位点,分析得到TF及调控区域;可研究不同样本间开放图谱的动态变化,例如人疾病感染过程、动物早期胚胎发育过程、植物非生物逆境过程(病虫害、激素处理)染色质开放区域的动态变化;也可研究不同组织、疾病中转录活性差异,寻找关键转录调控因子或特异性调控元件。
    案例一 23种人类癌症开放染色质图谱[3]发表期刊:Science;影响因子:41.058(2018)
    从TCGA中选取了23种癌症类型、总共410种肿瘤样品进行ATAC-seq分析,基本覆盖了主要的癌症类型,加上技术重复,总共获得了796个全基因组开放染色质图谱,平均每种癌症类型中鉴定出了约十万个易接近性位点。染色体开放性区域富集TF结合位点,对染色质开放区域进行TF足迹分析,发现了不同肿瘤类型中特异的TFs。


    图4  癌症基因调控图谱

    ATAC-seq+ RNA-seq/ ChIP-seq关联分析ATAC-seq 可以得到某一时空下全基因组染色质开放区域,RNA-seq可以得到同一时空下基因表达信息,通过联合两个组学数据,获得该时空下影响基因表达的的上游调控区域;并且调控元件富集数据与基因表达数据能互相验证。

    ATAC-seq可以获得染色质开放区域中所有TF结合位点,ChIP-seq可以获得特定TF的结合区域,通过联合两个组学数据,可以缩小TF结合位置,并相互验证。
    案例二  染色质开放性影响细胞分裂素信号网络[4]发表期刊:NaturePlants;影响因子:14.946(2018)

    细胞分裂素(CK)调节植物生长发育的各个方面,可能是通过调控蛋白和染色质之间的动态相互作用进而调控转录来行使功能的。利用ATAC-seq来分析拟南芥根和芽响应CK处理时染色质开放图谱的变化,结果确定了760个显著差异开放区域(DARs),注释到了550个基因。

    与相同样本的RNA-seq数据关联分析发现,差异表达基因(DEGs)变化与DARs变化有较高的相关性。进一步分析发现B型ARRs的结合motif在两种组织中都显著富集,通过整合分析B型ARRs的ChIP-seq数据,发现B型ARRs的结合区域和DARs有大量重叠,暗示B型ARRs在CK诱导的染色质易接近性变化中起着关键作用。


    图5  差异ATAC区域和B型ARRChIP –seq peaks重叠情况 好了,今天的内容就介绍到这里,对ATAC-seq和10xscATAC-seq感兴趣的老师可以联系我们哦~
    表观遗传系列文章:表观遗传你了解多少?表观遗传系列之三种研究DNA甲基化测序技术介绍

    参考文献
    [1] Tsompana M, Buck M J. Chromatinaccessibility: a window into the genome[J]. Epigenetics & chromatin, 2014,7(1): 33.
    [2]Thurman R E, Rynes E, Humbert R, etal. The accessible chromatin landscape of the human genome[J]. Nature, 2012,489(7414): 75.
    [3] Corces M R, Granja J M, Shams S, etal. The chromatin accessibility landscape of primary human cancers[J]. Science,2018, 362(6413): eaav1898.
    [4] Potter K C, Wang J, Schaller G E, etal. Cytokinin modulates context-dependent chromatin accessibility through thetype-B response regulators[J]. Nature plants, 2018: 1.

    本文作者:基迪奥李白


    本帖子中包含更多资源

    您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

    x
    回复

    使用道具 举报

  • TA的每日心情
    害羞
    12 小时前
  • 签到天数: 427 天

    连续签到: 34 天

    [LV.9]以坛为家II

    迅猛龙

    Rank: 8Rank: 8

    主题
    24
    奥币
    2689
    积分
    1255
    注册时间
    2016.1.8
    在线时间
    277 小时

    发表于 2019.1.9 11:55:35 | 显示全部楼层
    好科普
    回复

    使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

    本版积分规则

    快速回复 返回顶部 返回列表