生信下机数据基础知识(6)

R和SVG的较量 2020-07-07

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前边两章讲完了RNAseq的一些概述，这一章节和下一章节讲解下ATACseq概述。

ATACseq概述

ATAC-seq全称Assay for Transposase Accessible Chromatin with high-throughput sequencing，即利用转座酶研究染色质可进入性的高通量测序技术，也叫染色质可及性。想要了解什么叫DNA可及性，就要先了解DNA的结构特征。先丢一张图：

Annunziato, A. (2008) DNA Packaging: Nucleosomes and Chromatin. Nature Education 1(1):26①

上图详细的展示了DNA（染色质）是如何从全长2 meter的长度折叠成纳米级至微米级的长度（染色体）。

How is DNA packaged？②

这样的结构特点：

折叠后的染色体可以更好的位于大小仅为1-20微米（低等植物细胞细胞核约1-4微米，高等植物细胞细胞核约5-20微米，高等动物细胞细胞核约5-20微米）的细胞核内。

如此长的染色质的折叠并不是仅仅靠本身就能完成的，还需要依赖几种不同组蛋白的协助形成串珠状（nucleosome），然后在H1组蛋白的协助下进一步折叠，2nm（碱基对）->11nm（nucleosome）->30nm（fiber）->300nm（U loops）->700nm+250nmwide（chromosome）。这就相当于你把织毛衣的毛线通过不同的缠绕方式缠绕成可以更好的放置的毛线球一样。

紧密缠绕的染色体状态的DNA（heterochromatin）是无法正常执行生命所需的转录翻译等活动的，是细胞中期的正常状态。但是在细胞分化，分裂等一些特定时期，需要执行特定转录翻译活动的时候，某些特定区域的紧致缠绕的DNA会解开这种折叠状态，允许某些调控元件（转录因子或者其他调控元件）结合到特定的区域，开始执行转录翻译活动，就像是你要打毛衣，需要解开缠绕的毛线球一样，如上图所示。

染色体展开的区域叫做开放染色质（open chromatin），染色质被展开以后，允许一些调控元件结合到特定区域（binding site），辅助转录等过程，这个过程就是染色质的可进入性（chromating accessibility），也及染色质可及性。

ATACseq测序

既然知道了染色质开放区域是跟转录等活动密切相关，我们想要找到这些开放的区域，应该用什么办法呢？

传统的方法包括：MNase-seq（限制性外切酶）和DNase I hypersensitivity assay（限制性内切酶）。他们的主要思路是一致的：染色质开放，会使得DNA和组蛋白的缠绕变的不那么紧密，其聚集程度就会降低，此时，会有一部分失去蛋白保护的，会被调控元件结合调控或者转录的DNA暴露出来，这一部分暴露的DNA就会很容易被DNA酶（DNase或者DNase I）所切割。这些被切割的DNA就会拿来被测序，和已知的全基因组序列想比较，通过这些数据，我们就可以知道被切割的序列位于DNA的哪些区间，没有被切割的序列位于哪些区间，从而就可以获知开放的染色质区域。

这两个实验有一个缺陷，限制性酶的应用，具有一定偏好性，会切除不受保护的区域，只余下核小体上缠绕的序列，使得切割下来的片段都是不完整的开放染色质信息，因此，无法完整获得整个开放区域的序列。且重复性差，比较耗时。

ATACseq的原理③：开放的染色质具有转座酶敏感性，转座酶能够随机插入不受保护的DNA序列上，但是不能切割DNA，因此，2013年，美国Stanford大学的William Greenleaf教授使用改造后的Tn5转座酶，将转座DNA设计为接头，随机插入染色质的开放区域，直接将整个开放区域的序列捕获下来，并测序，就是ATACseq。

ATACseq应用

ATACseq能够完成的捕获整个开放区域的信息，不过由于获取的DNAseq区域不同，其测序结果和DNase-seq，MNase-seq结果不能完全匹配。其对样本的数量要求较低，因此，目前被广泛使用。可以结合ChIP-seq，RNA-seq等技术，进行多组学分析。比如：

1 获取样本件染色质开放性差异信息；

2 揭示核小体位置；

3 全基因组范围的转录因子（TFs）结合位点分析；

4 多组学结合分析等。

Reference：

① Annunziato, A. (2008) DNA Packaging: Nucleosomes and Chromatin. Nature Education 1(1):26.

https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310/

②Cold Spring Harbor Laboratory-DNA LEARNING CENTER -Biology & 3D Anmation Library

③Buenrostro, J., Giresi, P., Zaba, L. et al. Transposition of native chromatin for fast and sensitive epigenomic profiling of open chromatin, DNA-binding proteins and nucleosome position. Nat Methods 10, 1213–1218 (2013). https://doi.org/10.1038/nmeth.2688

编辑：Vickymemo

校对：Vickymemo

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