染色质转座酶可及性测序研究进展

染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq)诞生于2013年,具有比脱氧核糖核酸酶I超敏感位点测序(deoxyribonuclease I hypersensitive site sequencing, DNase-seq)和微球菌核酸酶敏感位点测序(micrococcal nuclease sequencing, MNase-seq)更快速、灵敏、简便的优点,是目前分析全基因组范围染色质开放区域的热点技术。通过该技术能获得染色质开放区域的相关信息,从而映射出转录因子等调控蛋白的结合区域和核小体定位等信息,对于研究表观遗传分子机制具有重要意义。本文比较了5种获取染色质开放区域技术的优缺点,重点介绍了ATAC-seq的原理和主要流程,描述了利用ATAC-seq技术研究染色质开放区域的发展概况以及ATAC-seq的相关应用,期望对真核生物全基因组水平的染色质开放区域研究、顺式调控元件鉴定以及遗传调控网络的解析等提供借鉴。

染色质转座酶可及性测序研究与数据分析

在真核生物中,染色质作为遗传物质DNA的载体,直接参与基因的表达调控。染色质的可及性是指染色质中的DNA能与转录因子等蛋白复合物结合的区域,对染色质可及性的测定可为获取开放区域的信息、核小体定位信息以及转录因子结合信息提供基础依据。随着高通量测序技术的进步以及测序成本的降低,研究者已开发多种研究染色质可及性的测序方法,该文介绍4种常见的染色质可及性测序方法,对其中的染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq)的原理和数据分析方法进行重点描述,讨论ATAC-seq的应用与发展趋势,为染色质可及性以及基因表达调控的研究提供参考。

转座酶可及性染色质测序法联合RNA测序探究解旋酶样转录因子基因的缺失对肝细胞癌的影响

目的:探究解旋酶样转录因子(helicase like transcription factor,HLTF)基因在肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)中潜在的调控机制。方法:构建HLTF基因稳定敲除的HCC细胞株。应用RNA测序法(RNA sequencing,RNA-seq)检测并分析肝癌细胞HLTF基因敲除前后的差异表达基因。应用转座酶可及性染色质测序法(assay for transposase-accessible chromatin using sequencing,ATAC-seq)检测HLTF基因敲除前后肝癌细胞染色质可及性的改变。采用RNA-seq和ATAC-seq多组学数据进行联合分析,寻找HLTF基因潜在的下游调控通路和关键基因。结果:癌症基因组图谱(the cancer genome atlas,TCGA)数据库分析表明HLTF基因在HCC组织中的表达水平升高,且其高表达与HCC预后不良有关联;RNA-seq分析结果显示,与野生型肝癌细胞相比,HLTF基因敲除细胞中有563个基因的表达水平上调,656个基因的表达水平下调;ATAC-seq分析结果显示,共27818个区域在HLTF基因缺失时染色质可及性发生显著改变,其中14225个区域染色质可及性增强,13593个区域染色质可及性减弱;对染色质可及性改变的区域进行motif富集分析,数据显示在染色质可及性增强的区域,Atf3、Fra1和BATF等被富集,在染色质可及性减弱的区域,Fra1、Fra2和JunB等被富集;RNA-seq和ATAC-seq多组学数据联合分析表明,重叠基因主要富集在花生四烯酸代谢通路、Wnt信号通路、钙离子信号通路和转化生长因子β(transforming growth factorβ,TGF-β)信号通路等。HLTF基因的缺失使核RNA输出因子3(nuclear RNA export factor 3,NXF3)基因表达水平升高。NXF3基因高表达的HCC患者的预后较NXF3基因低表达的HCC患者好。结论:在HCC中,HLTF基因可能参与调控花生四烯酸代谢通路、Wnt信号通路和TGF-β信号通路等,NXF3基因可能是HLTF基因的潜在下游基因。

染色质转座酶可及性测序及其在木本植物中的应用前景

染色质转座酶可及性测序(assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing,ATAC-seq)是2013年在人类免疫细胞中建立的用于研究表观遗传调控的重要技术。该技术已在人类及小鼠等模式动物的基因组调控元件鉴定、转录因子结合位点识别及转录调控机制的解析等研究领域发挥了重要作用。然而,ATAC-seq技术在植物领域中的研究应用还处于起步阶段,相关研究主要集中在拟南芥和水稻等模式植物中。笔者主要概述了ATAC-seq技术在植物中的应用,包括染色质可及性图谱绘制、抗逆机制解析、表观修饰鉴定及调控元件识别等领域的研究进展,并进一步阐述了ATAC-seq在木本植物中的应用潜力,以推动ATAC-seq技术在木本植物表观基因组学研究中的应用。

基于单细胞ATAC测序数据的乳腺癌上皮细胞转录因子研究

研究表明,乳腺肿瘤细胞染色质开放区域上的转录因子显著影响乳腺癌患者的临床表型和预后。然而,在单细胞层面,这些调控元件如何调控乳腺癌发生发展尚不明确。为此,本研究从GEO数据库中下载了45216个正常和肿瘤乳腺组织的单细胞染色质可及性测序(single-cell ATAC sequencing,scATAC-seq)数据,并对其进行了分析。根据标记基因在细胞群的基因活性得分进行细胞类型注释后得到7种乳腺细胞类型。皮尔逊相关性分析表明,肿瘤和正常乳腺样本的上皮细胞存在明显的染色质可及性差异,且乳腺上皮细胞存在高度样本间异质性(PCC=-0.07),暗示其是乳腺肿瘤的主要恶性细胞类型。为了探究正常和恶性乳腺上皮细胞的差异可及性区域中转录因子结合基序的富集情况,在提取上皮细胞群后对4个上皮细胞亚型的特征开放区域进行了转录因子结合基序富集分析。结果表明,恶性乳腺上皮细胞有194个转录因子显著富集(P<0.001),它们可能涉及乳腺肿瘤发展和转移等调控过程。对上皮细胞亚型中富集程度较高的转录因子进行活性分数计算及转录组数据验证,结果进一步显示这些差异调控元件可能与乳腺细胞恶性发展相关。此外,对转录因子结合基序在不同乳腺癌亚型中的可及性差异进行了分析,发现SNAI2在三阴性乳腺癌样本中具有显著高的可及性,提示SNAI2在三阴性乳腺癌中具有潜在的特异性调控作用。

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。

染色质可及性分析的研究进展

在细胞核内,染色质可及性模式会随着外部刺激和发育线索的改变而发生动态变化。染色质可及性重构对于基因表达调控至关重要,在建立和维持细胞特性等方面发挥着重要作用。因此开展染色质可及性的研究对染色质功能上的三维解析具有十分重要的意义。近几年,随着高通量测序技术的进步以及测序成本的降低,基于高通量测序技术的染色质可及性分析方法得到了迅速发展。目前观察和分析全基因组染色质开放与否的常见技术主要有脱氧核糖核酸酶I超敏位点测序(DNase-seq)、微球菌核酸酶测序(MNase-seq)、甲醛辅助分离调控元件测序(FAIRE-seq)以及转座酶可及性测序(ATAC-seq)。本文比较了这4种染色质可及性分析技术的优缺点,详细介绍了它们的原理及主要实验流程,并简要讨论了它们的发展及相关技术的应用,期望通过这些互补的方法为染色质分析领域的未来发展提供一些借鉴和思路。

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。

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。

ATAC-Seq技术在间充质干细胞成脂分化早期研究中的应用

目的利用ATAC-Seq技术研究人骨髓间充质干细胞(hMSCs)成脂分化过程中染色质开放性的动态变化。方法第6代人源hMSCs经成脂诱导剂分别刺激0 d、3 d、5 d和7 d。收集各组细胞,转座酶Tn5捕获DNA序列并测序,生物信息学分析各组间染色质开放区域数量分布、转录因子结合序列(motif)、邻近基因功能(GO)及相关信号通路(Pathway)。结果在h MSCs成脂分化早期的不同时间点,细胞染色质开放区域数量发生显著动态变化;各组功能性区域Peak分布主要富集在转录起始点(TSS)附近;Motif分析显示各组细胞间参与转录调控的活化DNA序列发生改变;Peak邻近基因功能的GO分析结果显示,新增的染色质开放区域的生物过程主要集中在各种细胞黏附、血管生成以及细胞外基质生成等;而差异基因显著性富集通路主要集中在Rap1信号通路,PPAR信号通路等。结论hMSCs成脂分化早期染色质开放区域出现显著动态变化,为进一步了解成脂分化的调控机制及寻找有效靶基因提供了新的思路。