ATAC-seq技术简介及与ChIP-Seq的异同

ATAC-Seq简介

        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。

        要理解这个东西有什么用，首先得认识一下染色体/质的结构。  

        真核生物的核DNA并不是裸露的，而是有蛋白质即组蛋白与之相结合的。DNA一圈一圈得缠绕在组蛋白上，形成串珠式的结构。而这样的结构还能够进一步折叠、浓聚，并在其他架构蛋白的辅助下，形成染色体。  

        这样做的意义在于，将超长的DNA链，折叠成很小很小的结构，从而能够塞进小小的细胞核里。比如说，人类的DNA链如果完整展开，那么大概会有2米那么长。而经过这样的折叠，就变成了纳米至微米级染色体/质的结构了。    

        但是我们又知道，DNA的复制，基因的转录，是需要将DNA的高级结构解开的。这就类似于我们要从zip文件中获得信息的话，首先需要解压缩。但是，这里的解压缩并不需要将整个zip全部打开，而只需要打开一部分，即需要表达基因的区域即可。  

        这部分打开的染色质，就叫开放染色质（open chromatin）。而打开的染色质，就允许一些调控蛋白（比如转录因子和辅因子）跑过来与之相结合。而染色质的这种特性，就叫做染色质的可进入性（chromatin accessibility）。  

 

我们如何去寻找开放的染色质区域呢？ 

        传统的实验方法主要是借助MNase-seq和DNase I hypersensitivity assay。  

        这两个实验的主要思路是一致的：染色质变得开放，就意味着DNA和组蛋白的浓聚程度降低，就会有一部分DNA暴露出来。而一旦失去了蛋白质的保护，这部分DNA就可以被DNA酶（MNase或DNase I）所切割。然后，我们再把切割完的DNA拿来测序，和已知的全基因组序列相比较，就能发现被切掉的是哪些东西，没有被切掉的地方又在哪里，就知道开放的染色质区域在哪里了。  

        不过，这两个方法有明显的缺陷。即耗时费力与重复性差。具体就不展开讲，亲手做过的就知道这两个方法有多么讨厌。  

        2013年，美国Stanford大学的William Greenleaf教授研发了一种全新的方法，利用DNA转座酶结合高通量测序技术，来研究染色体的可进入性，即ATAC-seq。    

DNA转座，是一种把DNA序列从染色体的一个区域搬运到另外一个区域的现象，由DNA转座酶来实现。这种转座插入DNA，也是需要插入位点的染色质是开放的，否则就会被一大坨高级结构给卡住。那么，我们只要人为地，将携带已知DNA序列标签的转座复合物（即带着测序标签的转座酶），加入到细胞核中，再利用已知序列的标签进行PCR后测序，就知道哪些区域是开放染色质了。而这也就是ATAC-seq的原理。  

        ATAC-seq出来的结果，和传统方法出来的结果具有很强的一致性，同时也和基于组蛋白修饰marker的ChIP-seq有较高的吻合程度。而相比起来，ATAC-seq的重复性，比MNase-seq和DNase-seq的更强，操作起来也更加简单，而且只需要很少的细胞/组织量，同时出来的信号更加漂亮。目前已经是研究染色质开放性首选的技术方法。   

 

ATAC-Seq与CHIP-Seq的异同 

        ATAC-Seq与ChIP-Seq的不同的是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蛋白质可能结合的位点信息，一般用于不知道特定的转录因子，用此方法与其他方法结合筛查感兴趣的特定调控因子；但是ChIP-Seq是明确知道感兴趣的转录因子是什么，根据感兴趣的转录因子设计抗体去做ChIP实验拉DNA，验证感兴趣的转录因子是否与DNA存在相互作用。ATAC-Seq、ChIP-Seq、Dnase-Seq、MNase-Seq、FAIRE-Seq整体的分析思路一致，找到富集区域，对富集区域进行功能分析。  

1. ChIP-Seq是揭示特定转录因子或蛋白复合物的结合区域，实际是研究DNA和蛋白质的相互作用，利用抗体将蛋白质和DNA一起富集，并对富集到的DNA进行测序。 

2. DNase-Seq、ATAC-Seq、FAIRE-Seq都是用来研究开放染色质区域。DNase-Seq是用的DNase I内切酶识别开放染色质区域，而ATAC-seq是用的Tn5转座酶，随后进行富集和扩增；FAIRE-Seq是先进行超声裂解，然后用酚-氯仿富集。 

3. MNase-Seq是用来鉴定核小体区域。   

An overview of ChIP–seq, DNase-seq, ATAC-seq,

MNase-seq and FAIRE–seq experiments