ATAC-seq(Assay for Transposase-Accessible Chromatin with High-Throughput Sequencing)是利用高活性转座酶Tn5探究染色质可接近性的高通量测序技术。具体来说就是利用转座酶Tn5来捕获全基因组范围内开放性染色质,再通过高通量测序及生物信息学分析来挖掘相关基因和顺式调控元件信息,以此探究转录调控相关问题。
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应用方向
1)绘制开放染色质图谱,了解药物或疾病条件下的表观遗传调控机制;
2)结合motif分析,识别参与基因调控的转录因子;
3)识别转录因子调控的靶基因和功能元件;
4)结合核小体预测分析,明确核小体的定位;
5)ATAC-seq与RNA-seq、CUT&Tag等多组学和多技术联合分析,可以获取基因表达与上游调控元件、转录因子的关联信息,解析转录因子靶向调控变化机制。
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测序策略
DNBSEQ-T7或illumina测序平台,PE150模式
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送样建议
新鲜或冻存细胞系样本:≥1×106 cell;
新鲜全血样本:≥5 ml,或冻存PBMC样本:1×106 cell/ml;
新鲜或冻存动物组织样本:≥100mg
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技术优势
1)应用范围广:在全基因组范围内检测染色质的开放状态;
2)建库质量高:采用高质量进口Tn5酶,建库质量有保证;
3)生信分析全:提供IDR检查和核小体定位预测,以及多组学联合分析;
4)一站式服务:提供样品处理、ATAC建库、测序和分析的全套服务。
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数据分析
1)标准分析
a. 按标准流程进行数据整理以及数据质量评估;
b. 与参考序列进行比对、统计测序深度、插入片段分析、TSS富集分数分析、样本相关性分析以及Mapped reads分布特征;
c. Peak Calling(Peak在染色体、基因功能元件上的分布以及Peak的长度分布);
d. Motif分析;
e. Peak差异分析和注释;
2)高级分析
a. IDR检查;
b. ATAC-seq与RNA-seq关联分析。
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技术流程
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实测数据
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案例分析
案例(1)探究结直肠癌肝转移发生机制[1]。
在本研究中,研究者将人结直肠癌细胞系HT29及三种人结直肠癌的PDX(Patient-Derived Xenograft)细胞注射到8周龄免疫功能低下的小鼠盲肠上,获得原位肠癌和肠癌肝转移组织。随后,对原位癌和肠癌肝转移细胞进行了RNA-seq、ATAC-seq和ChIP-seq的多组学测序和联合分析,从结果发现,与原位癌相比,肠癌肝转移中一系列的基因发生了表达变化,其中DPP4上调表达明显,且组蛋白H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3和H3K9ac水平明显升高。然后,研究者在肿瘤细胞和荷瘤小鼠模型中敲除DPP4,发现DPP4的沉默能够显著抑制肠癌的转移,并确认了DPP4的表观遗传修饰调控了结直肠癌的肝转移过程。对前述机制的进一步研究,发现肝脏微环境中高表达的肝脏生长因子(HGF)能够诱导肿瘤细胞中的先锋转录因子PU.1磷酸化,进而重塑DPP4增强子和启动子区域的表观修饰,继而上调DPP4的表达并抑制具有杀伤性的中性粒细胞在肿瘤浸润,最终促进肠癌肝转移瘤的形成。
图1 肠癌肝转移和原发性肿瘤的表观遗传学分析
案例(2)探究5-FU耐药性结肠癌的染色质可及性景观[2]。
5-氟尿嘧啶(5-FU)是治疗结直肠癌最有效和广泛使用的化疗药物之一,而染色质可及性的动态重编程对于调节抗癌药物相关的基因转录至关重要。在本研究中,研究者分别对亲代HCT15细胞(n=2)和带5-氟尿嘧啶抗性的HCT15-FR细胞(n=2)进行ATAC-seq以描述5-FU耐药性结肠癌的染色质可及性。然后,通过DNA基序富集分析,识别基因表达和染色质可及性变化的转录调控因子及其靶标,发现激活蛋白家族成员及其靶标5'-TGACTCA-3',其可在广泛的生理和病理过程中发挥关键作用。同时,研究者还进行了RNA-seq,发现5-FU抗性细胞上表现染色质可及性差异的区域与差异表达的mRNA和lncRNA呈正相关,并将这些差异表达基因(DEGs)进行了KEGG通路富集分析,发现表现上调的DEGs在EGFR酪氨酸激酶抑制剂耐药、MAPK、FOX和WNT信号通路中显着富集,而表现下调的DEGs主要涉及胰岛素抵抗、氨基酸、核苷酸糖和辅因子的生物合成以及Notch、HIF-1和ErbB的信号通路。综上所述,染色质可及性的变化在癌症耐药性过程中起着关键作用,其变化影响转录因子识别和结合HCT15-FR细胞中关键DNA启动子和增强子的能力从而影响基因表达过程。
图2 HCT15和HCT15-FR细胞的染色质可及性景观
案例(3)探究肺岩宁药物在肺癌中的功能及其发挥作用的分子机制[3]。
在本研究中,应用ATAC-seq和RNA-seq技术在NSCLC细胞系A549和FYN(Feiyanning)处理过的A549上,结果显示,FYN 处理的 A549 细胞在转录起始位点附近的染色质可及性水平降低。然后,将RNA表达水平和每个基因组区域的染色质可及性区域的水平进行关联分析,发现FYN 处理的 A549中启动子活跃状态在两者水平上相关性较大。最后,将FYN 处理的 A549中染色质可及性水平降低的基因进行GO富集分析,发现这些基因可能通过细胞增殖、迁移和侵袭而发挥抗肿瘤作用。
图3 FYN处理的A549细胞染色质的可及性表征
参考文献:
1. Wang, L., et al., Chromatin Remodeling of Colorectal Cancer Liver Metastasis is Mediated by an HGF-PU.1-DPP4 Axis. Adv Sci (Weinh), 2021. 8(19): p. e2004673.
2. Zhang, B., et al., Integrated Chromatin Accessibility and Transcriptome Landscapes of 5-Fluorouracil-Resistant Colon Cancer Cells. Front Cell Dev Biol, 2022. 10: p. 838332.
3. Wang, C., et al., Integrative RNA-Seq and ATAC-Seq Analysis Reveals the Migration-Associated Genes Involved in Antitumor Effects of Herbal Medicine Feiyanning on Lung Cancer Cells. Front Genet, 2021. 12: p. 799099.