下一代测序中ChIP-seq数据的处理与分析

将染色质免疫共沉淀技术(ChIP)与下一代高通量测序技术相结合的染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq),已成为功能基因组学、特别是基因表达调控领域研究的关键技术。ChIP-seq实验带来的海量数据向生物信息学研究人员提出了新的挑战。由于此领域数据处理技术的发展大大滞后于实验技术进步,有必要系统地介绍和回顾ChIP-seq数据处理的各个方面,以便更多研究人员进入此领域设计或改进相应的算法。文章结合实例详细介绍了ChIP-seq数据整个流程,并重点讨论了其中的主要问题和关键环节,为这一研究领域的科研人员提供一个快速而深入的认识。

利用ChIP-seq技术研究转录因子EDAG在全基因组的结合谱

为揭示红系分化相关基因(erythroid differentiation-associated gene,EDAG)在造血中的作用机制,利用ChIP-seq分析EDAG的全基因组结合谱.首先从产妇脐带血分离CD34+细胞,EPO诱导CD34+细胞培养5 d.利用EDAG抗体进行染色体免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation,ChIP)实验、Western印迹法检测EDAG抗体的富集情况.将富集到的DNA样品进行高通量测序,最后利用生物信息学分析测序结果.成功富集染色体DNA,经高通量测序和生物信息学分析,共得到1 292个EDAG结合位点的Peaks数目,代表了975个结合的基因且错误发现率(false discovery rate,FDR)小于0.0001.EDAG Peaks主要分布在基因间区和内含子区.进一步利用Q-PCR对ChIP-Seq数据进行了验证,证实EDAG可结合在检测的靶基因调控区上.将EDAG结合的基因进行基因功能(gene ontology,GO)注释,表明EDAG参与了细胞周期、细胞生长、细胞分化、细胞凋亡及信号通路等多种生物学过程.综上,利用ChIP-seq技术在促红细胞生成素(EPO)诱导分化的CD34+细胞中鉴定了1 292个EDAG结合的peaks对应975个基因,并对该结果进行了随机验证,提示EDAG广泛参与了多种生物学过程.该研究为揭示EDAG的功能及作用机制提供了线索.

小鼠NPC细胞RFX1ChIP-Seq数据分析

利用NCBI数据库中小鼠Embryonic Stem Cells(ESC)与Neural ProgenitorCells(NPC)的基因芯片结果及NPC时期的RFX1ChIP-Seq数据,进行有关RFX1的分析,结果表明:RFX1结合位点富集在1,2,4,5,7,9,11染色体上,Y染色体上最少,其他染色体上比较均衡;在基因组中结合位点分布区域主要在基因的promoter区域,约有53.2%,其次是intergentic,占22.5%,body区域,占13.1%,enhancer区域,占11.2%.说明RFX1是以结合在基因的promoter区为主要形式对目的基因进行调控.同时在DAVID数据库中用生物信息学方法探索了RFX1靶基因的生物学功能分类.

ChIP-seq比较分析人体心脏和脾脏的H3K9三甲基化差异

目的分析人体器官心脏和脾脏的H3K9me3的全基因图谱,以期发现H3K9三甲基化的修饰与组织特异性的表达、功能和发育具有相关性。方法通过染色质免疫共沉淀的方法获取各标本DNA,通过q PCR验证ChIP结果,然后构建ChIP Sequencing文库,与目的基因组序列比对,获取比对Reads,接着进行全基因组的Peak分析,GO功能富集分析peak相关基因的生物学功能。结果心脏和脾脏间有169个基因有显著地H3K9me3差异,其中心脏中H3K9me3的基因中有64个特殊基因,脾脏中H3K9me3的基因中有87个特殊基因。从这些基因中,挑选出8个表现H3K9me3明显的基因,然后再从这8个基因中挑选出两个心脏和脾脏间表现H3K9me3差异最明显的基因,分别是PTPN3和RBMS。结论 H3K9me3差异可作为一个潜在的生物标志物或是表观遗传疾病的治疗靶点。

基于ChIP-seq筛选睾丸支持细胞中雄激素受体靶基因初步研究

雄激素及其受体在精子发生中有重要作用。寻找并鉴定更多雄激素及其受体的靶基因,对阐明雄激素及其受体介导精子发生的分子机制,解析其调控精子发生的网络具有非常重要的科学意义。在本研究中,我们分离了睾丸支持细胞,以睾酮刺激,并以ARKO小鼠睾丸作为背景对照,进行ChIP-seq和分析验证。数据分析显示了8679个差异表达基因,其中4830个基因在睾酮处理组表达上调,3849个表达下调。我们从差异基因中筛取了43个靶基因进行验证,其中39个基因的启动子区域找到了ARE结合位点。候选靶基因介导雄激素调控精子发生的分子机制仍有待进一步研究。本项目初步鉴定的靶基因可为进一步深入系统研究雄激素及其受体调控精子发生的机制提供参考。

基于ChIP-Seq进行肿瘤/睾丸抗原XAGE-1b的DNA结合位点鉴定

XAGE-1b(X antigen family member 1B)属于XAGE亚家族,是一种肿瘤-睾丸抗原(cancer/testis antigen,CTA),表达于正常人睾丸组织和多种类型的肿瘤细胞中.本实验室前期研究发现,该基因在涎腺腺样囊性癌高转移细胞系中呈高表达.为了进一步研究XAGE-1b下游调控基因,本实验采用ChIP-Seq技术筛查XAGE-1b蛋白质可能存在的DNA结合片段.结果发现,XAGE-1b下游调控基因富集于细胞分裂(cell division,P-Value=7.95e-04)、细胞周期调控(cell cycle,P-Value=5.532e-03)、及癌症相关基因(GESA/MSigDB module_11,P-Value=2.010e-06)中.同时发现,XAGE-1b下游调控多个基因的表达产物(NCBI/interactions 22827,P-Value=4.678e-06)能与原癌基因c-Myc的启动子抑制蛋白PUF60发生蛋白质相互作用,并通过qPCR进行了验证.这些研究对阐明XAGE-1b在肿瘤细胞的增殖和转移中的作用有重要意义.

ChIP-seq技术分析突变IHH-GLI1信号传导通路对下游转录调控的影响

为发现IHH/GLI1突变导致的下游转录调控的变化,在小鼠间充质干细胞C3H10T1/2中加入人野生型重组IHH-N蛋白(WT)和突变型蛋白(MT,p.E95K)以激活IHH信号通路,利用染色体免疫沉淀高通量测序(ChIP-seq)技术挖掘GLI1转录因子结合靶点,并对其进行基因功能注释和KEGG通路分析,再结合前期基因芯片数据进行联合分析。利用ChIP-seq生物信息学分析发现两组间465个不同的GLI1结合靶点,基因注释和KEGG通路分析的结果主要富集于Wnt、刺猬因子(HH)、胰岛素等参与调控长板软骨发育的关键信号通路。联合分析发现了两个数据集中19个共同的候选基因。本研究精确定位了IHH信号蛋白突变导致的GLI1结合靶点差异,为进一步探索由IHH信号介导的BDA1的发病机制和治疗靶点提供理论基础。

染色质免疫共沉淀-测序(ChIP-Seq)技术及数据分析方法介绍

对ChIP-Seq技术的实验原理进行了介绍,而且对ChIP-Seq数据分析过程的每一个步骤都进行了详细的说明,对用到的程序给出了如何使用的例子.对ChIP-Seq数据分析时每一步使用到的不同软件进行了介绍和比较.

新一代高通量测序Chip-seq数据正规化方法研究

本文针对目前生物信息研究中常见的高通量测序技术Chip-seq数据的正规化问题进行了研究。分析了目前常用的TMR正规化方法和LOWESS正规化方法中没有考虑到基因组的结构对于生物数据分布的影响这一不足,提出了一种新的基于基因组功能注释的LOWESS正规化方法。该方法更符合基因组生物学特征,可以根据基因组本身不同的生物学功能的差异,分区域、分类别进行数据正规化处理,更符合基因组的生物学特征,也具有更高的可靠性。同时可以针对不同研究目的,依据不同的功能区域注释信息有针对性的对该区域进行正规化,具有更高的特异性和灵活性以及更低的时间和空间复杂度。

ChIP-seq技术的研究进展

染色体免疫共沉淀测序(Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing,ChIP-seq)是研究DNA-蛋白质互作的有力工具,被广泛用于RNA聚合酶、转录因子和组蛋白修饰等在基因组上的精确定位。近年来,在ChIP-seq技术的基础上,科学家提出了一系列研究DNA-蛋白质互作的技术方法,提高了测序分辨率,降低了实验成本,极大推动了表观基因组学的发展。本文综述了多种DNA-蛋白质互作研究技术的原理及其应用场景,介绍了在单细胞水平上研究DNA-蛋白质互作的实现方法,并展望其未来发展的方向。

应用于小鼠早期胚胎细胞的ChIP-seq体系中基因组水解酶的筛选

在过去的十几年中,染色质免疫共沉淀测序技术(ChIP-seq)成为了分析表观基因组和鉴定DNA相关蛋白重要结合位点的主要技术。然而,ChIP-seq技术目前仍存在一些技术难点。其中一个重要限制是ChIP-seq需要大量的起始材料,需要至少数百万个细胞才能启动,然而实验中有两个关键步骤往往会造成所使用的样本丢失,即染色质制备和免疫沉淀。本实验通过从染色体制备入手,通过选择两种不同核酸水解酶DNase和MNase,设计不同实验组验证最佳酶切浓度,以优化ChIP-seq体系。结果证明0.1U/μL的MNase为本实验中ChIP-seq最佳酶切浓度。结果为ChIP-seq体系的优化提供了参考,对ChIP-seq技术在小鼠早期胚胎细胞中的应用以及发展有一定的积极意义。

过表达GATA2对鸡前脂肪细胞转录表达的调控作用及机制

目的阐明过表达GATA2对鸡前脂肪细胞转录表达的影响。方法培养鸡前脂肪细胞ICP1,转染pCMV-myc-GATA2或pCMV-myc质粒,Western blot验证细胞中GATA2过表达情况,RNA-seq研究过表达GATA2对细胞转录组表达变化,ChIP-seq研究GATA2在基因组的结合情况,Real-time PCR验证部分差异表达基因、ChIP-PCR验证GATA2对TAF3基因的集合情况。结果转染pCMV-myc-GATA2可以在ICP1细胞过表达GATA2蛋白,过表达GATA2后,ICP1细胞中942个基因表达上调,840个基因表达下调(P<0.05),富集分析显示差异表达基因与核糖体和线粒体的结构和功能相关(P<0.01);GESA分析显示,过表达GATA2的ICP1细胞中RNA聚合酶Ⅱ转录起始复合物、核糖体生物生成、丙酸代谢和氧化磷酸化相关基因集表达上调;组蛋白赖氨酸N甲基转移酶、核转录抑制复合体形成、脂肪因子和钙离子等信号通路相关基因集表达下调。ICP1细胞中ChIP-seq鉴定出2833个GATA2结合的基因组峰,涉及2018个基因。Motif分析显示GATA2结合(T/A)GATA模序;富集分析显示这些基因参与胚胎发育、信号传导、细胞代谢和细胞间相互作用。差异表达基因和GATA2结合基因取交集获得105个基因,富集分析显示这些基因与转录、转录后调控、细胞间相互作用、信号传导和细胞周期相关(P<0.001)。结论GATA2可以与鸡前脂肪细胞的基因组结合调节其转录组表达模式。

ChIP技术及其在基因组水平上分析DNA与蛋白质相互作用

染色质免疫沉淀(Chromatin immunoprecipitaion,ChIP)技术是分析细胞内生理状态下DNA结合蛋白与基因组DNA相互作用的技术。ChIP与高密度芯片(ChIP-chip)或高通量测序(ChIP-Seq)相结合能产生大量的研究数据,在细胞的基因表达调控网络研究中发挥重要作用。文章主要介绍ChIP、ChIP-chip和ChIP-Seq的技术特点以及发展趋势,重点讨论了ChIP-Seq数据分析方法及相关的应用实例。

叶酸缺乏影响胚胎干细胞H3K9巴豆酰化和神经发育相关基因表达

目的采用染色质免疫共沉淀测序技术(chromatin immunoprecipitation sequencing,ChIP-seq)分析叶酸正常小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,mESCs)与叶酸缺乏mESCs组蛋白H3K9巴豆酰化(H3K9cr)修饰的全基因图谱,以期探究叶酸缺乏条件下mESCs中H3K9cr全基因组状态变化以及受到调控的通路基因。方法mESCs分为叶酸正常组(FA=4 mg/L,FA4)和叶酸缺乏组(FA=0 mg/L,FA0),利用Western blot和免疫组织化学染色分别检测叶酸缺乏mESCs和神经管畸形(neural tube defects,NTDs)小鼠胚脑组织中H3K9cr蛋白表达水平;利用ChIP-seq技术对获得的特异性结合的DNA片段展开序列鉴定,对差异表达基因进行基因本体论(gene ontology,GO)以及京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路分析并可视化,分析叶酸缺乏条件下mESCs全基因组并对受调控基因进行验证。结果叶酸缺乏mESCs和NTDs小鼠胚脑组织中整体H3K9cr水平降低(P<0.05),叶酸缺乏mESCs中Bdnf、Pax6、App等神经发育相关基因下调(P<0.05),FA4与FA0两组差异富集基因的KEGG通路富集于轴突引导、神经活性配体-受体相互作用、谷氨酸能突触等与神经系统相关的通路。结论胚胎干细胞中叶酸缺乏通过H3K9cr修饰参与调控神经发育相关基因,提示组蛋白巴豆酰化修饰可能参与叶酸缺乏引起的神经发育类疾病。

人NPTX1相关H3K27ac富集的非保守性增强子鉴定

目的探索和鉴定人NPTX1相关H3K27ac富集的非保守性的增强子,完善NPTX1相关调控区的注释,为NPTX1相关疾病及非编码区突变的研究提供相应的理论基础。方法从CistromeDB数据库下载和分析涉及7种组织的39个H3K27ac ChIP-seq数据,选择NPTX1两侧100 kb范围内的峰。通过ECR浏览器分析各片段在人、小鼠和斑马鱼之间的序列保守性。将相应DNA片段插入双荧光素酶验证载体中,在人神经源细胞系SH-SY5Y和人肾源细胞系293T行双荧光素酶实验,以检测增强子活性。结果分析获得5个H3K27ac富集片段,各片段在人、小鼠和斑马鱼之间DNA序列不保守。NPTX1-E1-P在SH-SY5Y中双荧光素酶活性比值明显高于阴性对照组,但在293T细胞中其增强子活性下降约40%。结论NPTX1附近的H3K27ac富集片段中,NPTX1-E1-P在人神经细胞系SH-SY5Y中具有增强子活性,且在物种间序列保守性低。相对于人神经源细胞系SH-SY5Y,其在人肾源细胞系293T中增强子活性下降。

氮限制条件下链状亚历山大藻H3K4me3的调控机制解析

为探索链状亚历山大藻(Alexandrium pacificam)在低氮条件下的适应性反应机制,本研究采用结合位点分析法(ChIP-seq)比较了链状亚历山大藻氮限制和氮正常条件下组蛋白第三亚基四号赖氨酸的三甲基化(H3K4me3)修饰情况及调控机制,GO分析结果表明H3K4me3修饰在低氮条件下调控了跨膜转运蛋白活性,表明在低氮条件下链状亚历山大藻增强了转运体活性来获取外界营养物质。通过KEGG分析发现还富集了植物病原菌相互作用途径和谷胱甘肽代谢途径,表明链状亚历山大藻在低氮条件下,病原菌防御和抗氧化应激对其生存至关重要。此外还发现在低氮条件下H3K4me3调控了泛素介导的蛋白质降解和自噬途径来缓解氮的耗竭而响应氮胁迫。

低起始量的免疫共沉淀技术研究进展

将染色质免疫共沉淀技术(chromatin immunoprecipitation assay, ChIP)和第二代测序技术相结合的染色体免疫共沉淀测序技术(co-immunoprecitation followed by sequencing, ChIP-seq)是分析全基因组表观遗传学变化的重要方法,它可以快速、有效地检测到在全基因组范围内DNA与蛋白结合位点、转录因子结合位点(transcription factor binding site, TFBS)、组蛋白翻译后修饰(histone post-translation modifications, hPTMs)、核小体定位和DNA甲基化等。然而,长期以来ChIP-seq需要大量细胞来生成高质量数据集,这限制了ChIP在一些细胞数较低的样本如卵母细胞、早期胚胎细胞等研究领域的应用。近年来,在ChIP的基础上,研究人员提出了一系列降低样品起始量和实验成本、提高测序质量的低起始量ChIP-seq方法,促进了表观基因组学的发展。本文综述了ChIP原理和降低起始量的ChIP的方法学发展,并对其中几种比较重要的方法进行了比较,并总结了低起始量的ChIP-seq在表观遗传学研究中的应用。本文最后对低起始量ChIP技术的应用和发展进行了展望,为低细胞数样品在低起始量ChIP的选择提供了参考。

肿瘤干细胞中受H3K9me2调控的干性基因的筛选

为了分析比较甲基转移酶G9a和组蛋白H3K9me2修饰在胶质瘤干细胞与非干细胞中存在的差异,筛选出维持胶质瘤干细胞干性的相关基因。通过G9a抑制剂促进U87细胞成球和过表达G9a促进U87细胞分化的方法,培养了成球的胶质瘤干细胞和贴壁的非干细胞,这两种细胞的CD133表达差异明显。再利用H3K9me2抗体通过Ch IP-seq技术比较H3K9me2修饰在干细胞组与非干细胞组中的差异,在存在差异的基因中,对TSS±2 000 bp范围内的基因进行了GO分析,并随机选出10个转录因子进行QPCR验证,结果与Ch IP-seq实验基本一致。

肝癌细胞HepG2中增强子的识别及生物信息学分析

目的:整合增强子特征识别肝癌细胞HepG2增强子,并对其保守性、GC含量、转录因子调控、靶基因功能等进行分析,以期解析肝癌细胞增强子参与的调控网络。方法:通过整合H3K27ac、H3K4me1和H3K4me3组蛋白修饰及DNaseⅠ高敏位点的Chip-seq数据预测HepG2中的增强子,计算每个增强子的平均Phast Cons分数和GC含量,评估整体增强子的保守性与GC含量,整合ENCODE转录因子结合位点数据寻找转录因子-增强子调控,使用GREAT和DAVID分别对增强子和增强子的靶基因进行GO与KEGG通路功能富集分析。结果:共识别2254个肝细胞癌增强子,1432个增强子靶基因,135个转录因子的9983个增强子结合位点;比较随机位点靶基因,发现增强子显著正调控靶基因的表达;保守性与GC含量分析表明增强子具有显著高的保守性与GC含量,并存在C-T/C-T/C-T-G模式的motif;增强子功能分析显示增强子显著富集于蛋白结合、酶结合、转录因子结合、RNA聚合酶Ⅱ结合等已知增强子功能,增强子GO与KEGG通路功能富集分析表明增强子靶基因显著参与细胞增殖、细胞凋亡、细胞周期调控和细胞迁移等肿瘤相关的生物进程与信号通路。结论:识别的肝细胞癌增强子具有显著高的保守性与GC含量,受多种转录因子调控,对其靶基因起正调控作用并且显著富集于肿瘤相关生物学进程与信号通路中。

两种基因组甲基图谱构建技术评介

在《细胞》和《自然》发表的ChIP-chip和BS-Seq技术是基因组甲基化图谱构建的两个重要里程碑.分析了它们的特点、优势与不足,并对此作了进一步探讨.