利用染色质开放性测序技术探讨叶酸缺乏对胚胎干细胞基因组结构变化调控影响

目的 利用染色质开放性测序技术(ATAC-seq)探讨叶酸缺乏对小鼠胚胎干细胞(mESC)全基因组染色质结构影响特征。方法 使用4mg/ml浓度的正常叶酸培养基培养mESC24h作为正常对照组,使用终浓度为0.12μM的叶酸代谢障碍药物甲氨蝶呤(MTX)处理mESC24h作为MTX实验组,分别行ATAC-seq,获得胚胎早期全基因组染色质开放图谱。进行正常对照组及MTX实验组染色质开放区域数量、开放区域涉及基因功能及通路分析比较。结果 确立转座酶Tn57.5U消化正常对照组mESC,Tn55U消化MTX实验组mESC,获得清晰核小体周期条带建立ATAC-seq测序体系,分别设置3个生物学重复进行二代测序。MTX处理后开放性染色质结构数量明显减少(P<0.05);MTX处理后差异染色质开放区域主要集中在胚胎器官形成、细胞周期调控、神经骨骼系统发育及生殖系统发育有关基因(P<0.01);MTX实验组和正常对照组差异基因显著性富集pathway集中在MAPK信号通路、细胞骨架调控、Rap1信号通路等(P<0.01)。结论 叶酸缺乏能够引起mESC基因组染色质开放性结构变化,涉及器官形成、细胞周期调控等重要发育基因及生理代谢通路相关基因,可能引起后续基因表达调控改变。

心肌肥大基因差异表达及染色质开放性的高通量测序

目的运用转录组测序(RNA-seq)和染色质开放性测序技术(ATAC-seq),探讨心肌肥大发生后基因差异表达以及特征基因开放性。方法将12只小鼠随机分为心肌肥大组和对照组(各6只),分别腹腔注射血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)和生理盐水。应用超声和免疫组化方法检测心肌肥大和纤维化程度,RNA-seq、实时荧光定量PCR(qPCR)方法检测并验证基因的表达,ATAC-seq方法检测染色质开放性。结果与对照组比较,心肌肥大组心肌发生肥大和纤维化。高通量测序技术获得与心肌功能相关的差异表达基因,qPCR检测显示marker基因的表达量和染色质开放水平均较对照组增高。结论心肌肥大后,基因的转录表达和染色质开放性皆发生变化,尤其是marker基因。

利用ATAC-seq技术研究Ⅰ型干扰素通路活化后人单核细胞的染色质开放性改变

目的检测人单核细胞经干扰素α(interferon α,IFNα)刺激后在全基因组水平上的染色质开放性变化。方法收集健康人外周血单核细胞,运用基于转座酶和高通量测序的染色质分析(assay for transposase-accessible chromatin using sequencing,ATAC-seq)技术检测染色质开放性。使用生物信息学工具进行富集分析和可视化分析。结果经过 IFNα处理后,染色质开放性发生显著增加的区域有 430 个,显著降低的区域有 442 个;大部分开放结构位于基因的启动子和临近区域,其次是基因间区域以及基因的内含子区域。富集分析显示,染色质开放性明显增加的区域所关联的基因涉及的生物学过程大多是与干扰素相关的信号通路和抗病毒反应。可视化相应的染色质区域,效应性干扰素诱导表达基因(interferon-stimulated gene,ISG)的启动子及转录起始位点区域在 IFNα刺激之后 ATAC-seq 信号强度明显增强;而调节性 ISG 在 IFNα刺激前即已具备一定程度的开放性,刺激之后开放性有所增强。开放性增强区域含有干扰素刺激反应元件以及干扰素调控因子等重要转录因子的识别基序。结论Ⅰ型干扰素刺激后,人单核细胞的染色质开放性发生了特征性改变,为下游的相关基因表达做出准备。

非交联染色质免疫共沉淀及其二代测序技术建库方法的优化

目的优化非交联染色质免疫共沉淀及其二代测序(Native ChIP-seq)技术,简化操作步骤,得到高质量ChIP-seq数据。方法裂解细胞,MNase切割DNA释放核小体,用组蛋白修饰的特异性抗体将组蛋白与DNA的复合物进行免疫共沉淀,蛋白酶K消化后进行DNA纯化,染色质免疫共沉淀(ChIP)产物用Tn5转座酶建库与传统建库两种方法进行文库构建并测序。结果与传统建库方法相比,Tn5转座酶建库经过Tn5片段化后直接进行目的DNA的扩增,操作简单,更加省时,效率更高;IGV可视化信号分布峰图显示两种建库方式获得的富集峰基本相同;两种建库方法获得的测序数据中,Tn5转座酶建库比传统建库获得更多的富集峰;Tn5转座酶建库后结果显示重复性良好,信噪比达到50%以上。结论Tn5转座酶建库能提高建库效率并得到更好的数据质量,适用于组蛋白修饰的检测,为表观遗传研究提供更好的技术选择。

北京大学成功研发染色质免疫沉淀测序技术

据2014年9月10日《科学网》援引报道,北京大学生物动态光学成像中心黄岩谊课题组与汤富酬课题组合作,发展了一种基于微流控芯片的微量细胞样品处理与核酸俘获方法,并成功实现了针对1000个细胞的染色质免疫沉淀测序（Ch IP-Seq）。研究结果在线发表在《细胞研究》上。应用Ch IP-Seq方法,通过有针对性地俘获和富集特定蛋白,得到与这些蛋白结合的DNA片段,

染色质开放状态对结肠癌相关功能通路影响的生物信息学分析

目的利用癌症基因组图谱(TCGA)数据库的染色质开放性高通量测序(ATAC-seq)数据和转录组测序(RNA-seq)数据,探索染色质开放状态对结肠癌相关功能通路的影响。方法从TCGA数据库下载结肠癌ATAC-seq数据和RNA-seq数据,使用R 3.5.3软件对ATAC-seq数据进行质量控制。对全部样本ATAC-seq数据峰值(peaks)进行基因注释,对所注释基因进行基因本体(GO)功能富集分析和京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析。选择结肠癌关键基因肿瘤抑制基因APC(APC)、Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因(KRAS)、v-raf小鼠肉瘤病毒癌基因同源物B1(BRAF),对3个基因的启动子区ATAC-seq数据peaks与RNA-seq的每千个碱基的转录每百万映射读取的片段数(FPKM)进行Pearson相关性分析。对TNM分期Ⅲ+Ⅳ期和Ⅰ+Ⅱ期的组织样本进行差异ATAC-seq数据peaks分析,并对上调和下调peaks注释基因进行KEGG通路富集分析。结果结肠癌ATAC-seq数据peaks在染色体分布均匀,大多数分布于启动子区(距离转录起始位点≤1 kb、>1~2 kb、>2~3 kb者分别占30.17%、5.42%、3.88%)和远端基因间区(26.17%),符合染色质开放区2种主要类型的分布。GO功能和KEGG通路富集分析结果显示,结肠癌ATAC-seq数据peaks注释基因显著富集于癌症相关功能和通路,如Wnt信号通路的细胞间信号转导、表皮生长因子受体(ErbB)信号通路等。结肠癌关键基因APC、KRAS、BRAF启动子区ATAC-seq数据peaks与其RNA-seq的FPKM呈正相关。TNM分期Ⅲ+Ⅳ期相对Ⅰ+Ⅱ期患者上调peaks注释基因显著富集于ErbB信号通路、Wnt信号通路、PI3K-Akt信号通路、P53信号通路等增殖、侵袭和转移相关信号通路,下调peaks注释基因显著富集于T细胞受体信号通路、B细胞受体信号通路、细胞黏附分子信号通路等免疫识别相关信号通路。结论染色质开放状态对结肠癌相关功能通路调控起着重要作用。

下一代测序技术在表观遗传学研究中的重要应用及进展

下一代测序技术(Next generation sequencing,NGS)的出现,极大地促进了表观遗传学的研究。将NGS技术引入表观遗传学,便形成了以NGS为基础的各种表观遗传学测序及研究方法,如:全基因组亚硫酸氢盐测序法(Whole genome bisulfite sequencing,WGBS)、简化代表性亚硫酸氢盐测序法(Reduced representation bisulfite sequencing,RRBS)、甲基化DNA免疫共沉淀测序(Methylated DNA immunoprecipitationsequencing,MeDIP-seq)、染色质免疫共沉淀测序(Chromatin immunoprecipitation-sequencing,ChIP-seq)、Tet辅助重亚硫酸盐测序法(Tet-assisted bisulfite sequencing,TAB-seq)、各种染色体构象捕获测序(Chromosome conformation capture sequencing,3C-seq)技术、DnaseⅠ-seq/MNase-seq/FAIRE-seq以及RNA测序(RNA sequencing,RNA-seq)。这些方法的应用和普及改变了人们对多种表观遗传现象的传统认识,使研究人员能够更加全面地深入了解各种表观遗传标志在机体内的广泛分布,以及如何在外界因素的影响下发生相应的动态变化。文章概述了当今主要商业NGS平台的原理和特点,系统介绍了以NGS方法为基础衍生出来的各种表观遗传学测序及研究方法,并在此基础上对近年来应用NGS技术在表观遗传学研究领域中取得的最新研究成果进行了综述。

基于深度学习的染色质交互作用预测

染色质交互作用一般发生在生物基因表达过程中,可以对染色质高维空间如染色质环、拓扑结构域等产生影响,通过特定实验的高通量测序技术如5C、Hi-C等可获得染色质交互作用信息,预测染色质交互作用信息具有重要价值,可减少测序技术高昂的代价。提出基于组蛋白修饰数据来预测Hi-C数据的深度学习方法,从不同角度对结果进行分析,表明该方法可以较好预测原始染色质交互作用情况,为组蛋白修饰预测染色质交互作用数据提供一种可行路线。

染色质免疫沉淀技术的难点及应用

随着人类基因组测序工作的基本完成，功能基因组学的研究逐渐成为研究的热点．而基因表达的调控又是功能基因组学的一个重要研究领域。研究某个蛋白因子的调控功能，

染色质免疫沉淀技术的应用

随着人类基因组测序工作的基本完成，功能基因组学逐渐成为研究的热点。而基因表达的调控又是功能基因组学的一个重要研究领域，要想提供蛋白因子直接调控的证据，需要直接检测蛋白质-DNA的相互作用，而染色质免疫沉淀技术（Chromatin Immunoprecipitation，ChIP）就是一种研究体内蛋白质与DNA相互作用的理想技术。

全基因组染色质相互作用Hi-C文库制备的优化及其质量控制

Hi-C(highest-throughput chromosome conformation capture)技术是近年出现的一种研究染色质相互作用的关键技术。该技术步骤多、耗时长,涉及的试剂耗材繁杂,目前常规流程还有较多可以改进优化的步骤。本研究以GM12878细胞为材料,通过优化常规Hi-C实验中的交联、酶切、限制性内切酶的失活、末端生物素标记、原位连接等关键步骤,建立了稳健的Hi-C流程,制备了相应的Hi-C文库。文库经初步的Sanger测序等质量控制以后,两个生物学重复文库进行了高通量测序。测序结果利用生物信息学处理发现:原始测序数据中可比对率和配对率分别达到90%和72%左右。此外,去除自连片段(self-circular ligation)和dangling-ends片段以后,可获得超过96%的有效相互作用对,其中染色体内相互作用数据达到60%。进一步的染色体相互作用热图分析可见清晰拓扑学相关结构域TADs(topologically associated domains),与已发表的文献报道一致。而两次生物学重复之间的相关性分析则表明bin coverage和all bin pairs的相关性都极强。上述结果表明通过对常规Hi-C流程关键步骤的优化,本研究建立了高效、稳健、可靠的Hi-C流程,对Hi-C技术的进一步使用与推广具有重要的参考价值。

利用ATAC-seq技术在人免疫细胞中检测染色质开放性的方法建立

基于转座酶和高通量测序的染色质分析技术(assay for transposase-accessible chromatin using sequencing,ATAC-seq)是近年来较为热门的一项用于检测染色质开放性的表观遗传组学技术。为确定适用于人原代免疫细胞的ATAC-seq实验方法,本研究探寻细胞裂解条件,发现0.1%NP-40能温和且较为彻底地裂解细胞。具体方法为使用Tn5转座酶切割染色质并连接测序接头,利用PCR扩增建库;运用2100Bioanalyzer毛细管电泳和统计分析文库中的DNA片段,得到片段呈周期性排布的ATAC-seq文库分布模式。使用一系列生物信息学工具确定文库质量,发现样本总比对率大于94%,线粒体基因组百分率低于38%,所得ATAC-seq信号在转录起始位点附近有明显富集,技术重复间可重复率约为80%。以上从多个维度表明实验及文库制备的整个过程质量良好,是较为理想的用于处理人原代免疫细胞的ATAC-seq实验方法。

染色质空间构象和IncRNAs功能的关系

新一代测序技术的广泛应用使得人们对哺乳动物的转录组有了深入的认识,作为基因组转录的主体,非编码RNA的功能研究成为当今生命科学界新兴的研究热点。目前发现越来越多的长链非编码RNAs（long noncoding RNAs,lncRNAs）发挥着重要的调控功能,然而,相对于数以万计的lncRNAs转录本来说这还只是很小的一部分。

单细胞基因组学分析的技术前沿

基因组学已经深刻地改变了生命科学的诸多领域的面貌。目前它的主要内容是新的全基因组碱基序列的测定和在全基因组范围内鉴定那些在不同水平上影响生命活动的基因群的功能和相互作用。为达此要求,近年出现的第二代测序(深度测序)技术和基因芯片技术发挥了关键作用,但是两者都需要足够的高质量的核酸样品。所以,在只有或只能用单细胞或极少量细胞的情况下,如果没有特殊手段,上述分析往往不能常规、方便地进行。文章以DNA扩增为主线,综合阐述了目前在单细胞(特别是微生物)全基因组测序和大基因组的靶向重测序,以及对单细胞或微量细胞进行的基于深度测序或芯片杂交的功能基因组分析,如转录组、ChIP和DNA的CpG甲基化分析等的最新策略和技术,评价了单细胞基因组测序和功能基因组学各技术的特点并对发展前景进行了展望。

三维基因组染色质构象捕获及其衍生技术

线性染色质经过多重折叠凝缩到真核生物的细胞核中,染色质的三维构象直接决定了真核生物的基因表达,因此染色质可以在局部或远程空间上发生互作调控基因转录。折叠成环状构象的染色质可以借助染色质构象捕获(Chromosome conformation capture,3C)技术来研究,基于3C技术扩展的4C/5C/Hi-C从单个位点延伸到全基因组捕捉三维构象,在此基础上,染色质构象核心技术可以与免疫共沉淀、核酸分子杂交、单细胞、基因组测序等技术偶联而产生新的衍生技术和应用,这极大地推动了染色质构象技术在基因时空特异性表达调控上的研究。文中将以3C和Hi-C等三维基因组核心技术为基础,重点介绍染色质构象捕获及其衍生技术的原理和前沿应用。

高雄激素调控颗粒细胞系全基因组靶基因及通路的初步探讨

目的:全基因组范围内探索高雄激素调控卵巢颗粒细胞的直接效应基因及通路,为高雄激素参与多囊卵巢综合征(PCOS)的发病机理提供数据支持。方法:以人卵巢颗粒细胞系KGN为研究对象,用高浓度睾酮(10^(-5)mol/L)处理,应用雄激素受体的抗体进行染色质免疫共沉淀,构建DNA文库,进行高通量测序及生物信息学分析。结果:高浓度睾酮处理后,KGN细胞中雄激素受体结合的Peak区域与对照组明显不同。高雄激素诱导其受体结合的Peak为1823个,大部分集中于基因间区与内含子。Peak关联靶基因富集到细胞凋亡、铁死亡、细胞黏附分子、磷脂酶D信号途径、cAMP信号通路、磷脂酰肌醇信号系统、磷酸肌醇代谢、神经活性配体-受体相互作用8个信号通路,涉及基因43个。结论:研究揭示了高雄激素诱导的卵巢颗粒细胞发生改变的重要信号通路,有助于从源头上阐明雄激素参与PCOS发病机理的机制,并为PCOS的治疗提供潜在的靶点。

MNase-seq 与核小体定占位研究

核小体是染色质复杂三维结构的基本单位,它在基因组上的定位及占位在DNA转录、复制和修复等基础生物过程中发挥重要功能。在众多核小体定占位研究技术中,微球菌核酸酶测序(micrococcal nuclease sequencing,MNase-seq)被认为是目前最为高效的方法,因此应用十分广泛。研究人员利用该技术绘制了多种生物的核小体图谱,并揭示了核小体组织特点的共性和差异。本文介绍了MNase-seq的技术原理以及在解析核小体组织及其功能中的应用,总结了在染色质构象这一快速发展领域中的研究进展,并展望了染色质生物学的未来发展方向。由MNase-seq揭示的核小体组织结构为基因表达和发育调控提供了新的见解,也有助于人们理解疾病的发生过程。

利用ChIP-seq/双荧光素酶报告基因技术验证PPARγ2的靶向基因MYH7

为验证2型过氧化物酶体增殖激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptorγ_(2),PPARγ_(2))对编码β-肌球蛋白重链(β-myosin heavy chain,β-MHC)基因MYH7的靶向调控机制及其结合位点,本研究将pTT5空载体和pTT5-3flag-PPARγ_(2)质粒分别转染小鼠心肌细胞(mouse cardiac myocytes,MCM),RT-qPCR和Western blot检测MYH7和PPARγ_(2)的表达情况;利用染色质免疫共沉淀技术(chromatin immunoprecipita-tion,ChIP)特异性富集并纯化MCM中可与PPARγ_(2)结合的DNA片段,通过高通量测序技术(high-throughput sequencing,HiSeq)检测和分析可直接与PPARγ_(2)结合的基因。采用生物信息学软件预测PPARγ_(2)结合于靶标基因MYH7的启动子区,并将预测到的转录因子结合位点和相应的突变位点分别插入pgl3-basic载体的萤火虫荧光素酶基因上游,构建野生型和突变型荧光素酶报告质粒,再分别与pcDNA3.1载体、pcDNA3.1-PPARγ_(2)质粒和海肾荧光素酶基因载体pRL-TK共转染293T细胞,检测荧光素酶相对活性。实验结果表明:ChIP-seq初步验证了MYH7是PPARγ_(2)直接调控的可能靶向基因;经基因测序验证MYH7野生型和突变型荧光素酶质粒(pgl3-basic-MYH7-WT、pgl3-basic-MYH7-mut)构建成功;双荧光素酶报告基因检测显示,与MYH7-WT+pcDNA3.1组的相对荧光素酶活(0.366±0.021)相比,MYH7-WT+pcDNA3.1-PPARγ_(2)组的相对荧光素酶活性(2.477±0.212)增强,差异具有统计学意义(P<0.001);与MYH7-WT+pcDNA3.1-PPARγ_(2)的相对荧光素酶活(2.477±0.212)相比,MYH7-mut+pcDNA3.1-PPARγ_(2)组的相对荧光素酶活性(2.677±0.201)无明显变化(P>0.05)。本研究通过ChIP-seq/双荧光素酶报告基因技术初步验证PPARγ_(2)能够直接结合MYH7的启动子区域并靶向正调控MYH7基因的表达。

利用ChIP-seq/SILAC技术筛选KLF15的靶向基因SUMO1

目的利用ChIP-seq和SILAC-LC/MS技术寻找Krupple样因子(KLF15)的靶向基因及其结合位点。方法 (1)利用染色质免疫沉淀技术(ChIP)特异性富集并纯化人原代肾系膜细胞(HRMC)中可与KLF15结合的DNA片段,通过高通量测序技术(Hi Seq)检测和分析,得到直接与KLF15结合的基因;(2)利用稳定同位素标记细胞培养技术(SILAC),重链和轻链同位素标记的培养HRMC,分别对重链实验组(HK)转染KLF15质粒,轻链对照组(LC)转染空载体对照,收集蛋白进行液质谱(LC/MS)检测,得到过表达KLF15后的差异蛋白;(3)对ChIP-seq及SILAC结果进行GO和Pathway分析,同时将二者进行交集筛选出KLF15的靶向基因,而后利用http://meme.edi.edu.au/网站获得靶基因的Modifs并对候选基因小泛素样修饰因子1(SUMO1)进行ChIP-PCR及双荧光素酶验证。以SPSS 17.0统计软件进行统计学分析。结果 ChIP-seq获取了2 478个KLF15直接调控的可能靶向基因,SILAC-LC/MS检测到KLF15过表达后有1 357个差异蛋白,综合ChIP和SILAC结果,我们分析得到52个共同差异表达的基因和(或)蛋白及其3个modifs,其中5个蛋白参与细胞增殖相关进程;结合GO和Pathway分析结果,最终筛选出SUMO1作为KLF15调控系膜细胞增殖的靶向基因。Motif分析发现SUMO1启动子区存在KLF15的结合序列;利用ChIP-PCR和双荧光素酶报告基因验证KLF15转录因子可以直接结合SUMO1的启动子区并发挥作用。结论 KLF15通过结合SUMO1的启动子区,调节SUMO1的表达。

维甲酸诱导小鼠神经管畸形胚脑中H2BK120ub1的全基因组状态变化

目的 利用染色质免疫共沉淀测序技术(ChIP-seq)分析E10.5 d正常小鼠胚脑组织与维甲酸(RA)诱导神经管缺陷(NTDs)小鼠胚脑组织H2BK120单泛素化(H2BK120ub1)修饰的全基因图谱,以期发现H2BK120ub1修饰与神经管发育通路基因表达的关系,为NTDs的诊断及治疗提供生物学靶点及依据。方法 孕鼠分为随机对照组和RA诱导的NTDs组,利用ChIP-seq技术对获得的H2BK120ub1特异结合DNA片段进行序列鉴定,获取比对Reads,进行全基因组的Peak分析、基因注释(GO)以及功能富集分析peak相关基因的生物学功能。结果 E10.5 d正常小鼠脑组织和RA诱导神经管畸形小鼠脑组织两组间有306个基因有显著的H2BK120ub1差异,根据GO富集的基因个数进行统计:在cellular component中前三位为别为Cell(82个基因), Cell part(82个基因),Organelle part(52个基因);在biological process中前三位为别为celluar process(68个基因),metabolic process(47个基因),biological regulation(40个基因);KEGG通路分析的结果主要富集于刺猬因子(HH)信号通路、TGF-beta信号通路、Wnt信号通路等参与调控神经管发育的关键信号通路,有显著统计学意义(P<0.05)。结论 H2BK120ub1修饰的差异可作为NTDs的一个潜在的诊断及治疗靶点。