ATAC-seq 研究染色质的可及性，即某个时间点同时进行转录的 DNA 区域。这部分区域的染色质 DNA 被打开，因此可以被 DNA 聚合酶、转录因子、转录调控因子所识别、调控。本期主要介绍 ATAC-seq 的三种技术应用，来看一下 ATAC-seq 如何研究核小体定位，以及与转录组、Chip-seq 的联合分析。
1. ATAC-seq 与转录组关联分析
ATAC 联合转录组测序分析主要研究染色质可接近性与表达水平之间的关系，可以看ATAC检测到的丰度变化的DNA序列区域对应的转录表达量是否发生变化，以及找到对应的转录本相关基因的上游调控序列，从而对基因功能进行分析。
2020年，Nature Communications在线发表了四川大学华西医院题为《Transcriptomic and open chromatin atlas of high-resolution anatomical regions in the rhesus macaque brain》的研究工作，该研究通过 ATAC-seq 与 RNA-seq 增加了关于恒河猴大脑中正常基线转录组和开放染色质的知识体系。研究人员利用 RNA-seq 技术对8只恒河猴大脑52个区域的416个大脑样本进行检测，识别与特定大脑区域相关的基因模块，如大脑皮层、脑下垂体和丘脑, 揭示了不同大脑区域的转录组差。此外，针对6个区域的33个样本进行ATAC-seq 检测，进一步调查恒河猴的海马 CA1 和大脑皮层的开放染色质区域，揭示了CA1 和大脑皮层特异性开放染色质区域。
图1 ATAC-seq 信号和 RNA-seq 表达谱联合分析
2. ATAC-seq 与 Chip-seq关联分析
ATAC-seq 是全基因组范围内检测染色质的开放程度，可以得到全基因组范围内的转录因子可能结合的位点信息。Chip-seq 是揭示特定转录因子或蛋白复合物的结合区域，结合Chip-seq 的结果，可对 ATAC 所预测到的一些转录因子结合区域进行验证。
2016年，Cell在线发表了斯坦福大学医学院题为《Nfib Promotes Metastasis through a Widespread Increase in Chromatin Accessibility》的研究工作，该研究利用 ATAC-seq 及Chip-seq 揭露了 Nfib 通过广泛提高染色质的可接近性促进了癌症转移。研究人员利用ATAC-seq对小鼠8个原发性肿瘤和8个肝转移肿瘤样本进行检测来确认全基因组染色质可及性，发现 NFI 家族转录因子结合位点的差异可及位点高度富集，NFI 转录因子可能在SCLC进展过程中观察到的大规模染色质可及性变化中发挥重要作用。基于 ATAC-seq 在可及区域外对DNA拷贝数进行量化，发现超可及样本特别具有 Nfib 位点的基因组扩增。通过对三个细胞系16T (Nfib high )、KP1 (Nfib high) 和 KP22 (Nfib low) 样本的 Chip-seq检测，Nfib 维持超可及染色质的稳定。结合 ATAC-seq 数据分析，发现 Nfib 稳定了 SCLC 细胞远端调控元件的开放染色质状态，从而诱导了一个与驱动转移能力的神经相关过程相关的基因表达程序。
图2 ATAC-seq 与 Chip-seq 的关联分析
3. 核小体定位
核小体定位是指 DNA 双螺旋相对于组蛋白八联体的位置，核小体定位通过限制蛋白结合位点参与基因转录调控。核小体定位在诸如转录调控、DNA 复制和修复等多种细胞过程中起着重要作用。基因组上核小体位置的确定涉及 DNA、转录因子、组蛋白修饰酶和染色质重塑复合体之间的相互作用，也是目前表观遗传学研究的热点。
2020年，Nucleic Acids Research 在线发表了维塔礼炮圣拉斐尔大学题为《Nucleosomes effectively shield DNA from radiation damage in living cells》的研究工作，该研究利用ATAC-seq 发现在活细胞中，核小体有效地保护DNA免受辐射损伤。为探讨在 shHMGB1 MM 细胞中核小体的定位和占用是否受到影响，作者应用 ATAC-seq 来鉴定 shCTRL 和shHMGB1 细胞中开放染色质区域中的无核小体区域和核小体，确定核小体在富含核小体的恶性间皮瘤细胞的基因组中的位置。结果发现，在 MM 细胞中的 HMGB1 下调通过减少核小体的数量和它们的相对占用来改变染色质的形成，而不是它们的位置。
图3 核小体定位
ATAC-seq 技术常用于核小体定位，转录因子结合分析等研究。目前，分析表观遗传调控的形式经常将 ATAC-seq 与 RNA-seq、Chip-seq 联合分析，探究发生调控功能的关键转录因子，以及特定转录因子的靶基因。
参考文献：
[1] Yin S, Lu K, Tan T, et al. Transcriptomic and open chromatin atlas of high-resolution anatomical regions in the rhesus macaque brain[J]. Nature Communications, 2020, 11(1).
[2] Sarah K, Denny, Dian, et al. Nfib Promotes Metastasis through a Widespread Increase in Chromatin Accessibility[J]. Cell, 2016.
[3] Francesca B, Manuel G M J, Emanuele M, et al. Nucleosomes effectively shield DNA from radiation damage in living cells[J]. Nuclc Acids Research.
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