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6场半全场玩法规则:ATAC-seq

服務簡介

ATAC-seq(Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high throughput sequencing)是美國Stanford大學的William Greenleaf教授在2013年所研發的一種全新方法,利用DNA轉座酶結合高通量測序技術,來研究染色體的可進入性。

ATAC-seq是一種創新的表觀遺傳學研究技術,該技術通過轉座酶對某種特定時空下開放的核染色質區域進行切割,進而獲得在該特定時空下基因組中所有活躍轉錄的調控序列。

在理解這個技術之前,需要先認識一下染色體的結構。

染色體主要由DNA和蛋白質組成,每一條染色單體由單個線性DNA分子組成,細胞核中的DNA是經過高度有序的包裝,包裝分為多個水平,核小體核心顆粒(nucleosome core particle)、染色小體(chromatosome)、 30 nm水平染色質纖絲(30 nm fibre)和高于30 nm水平的染色體包裝。

染色體的組成

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

DNA的復制,基因的轉錄,需要將DNA的高級結構解開,這部分打開的染色質,稱為開放染色質(open chromatin),而打開的染色質,就允許一些調控蛋白(比如轉錄因子和輔因子)與之結合。染色質的這種特性,叫做染色質的可及性(chromatin accessibility)。

ATAC-seq示意圖

(引自William J.Greenleaf, Jason D. Buenrostro, et al. Transposition of native chromatin for multimodal regulatory analysis and personal epigenomics. Nat Methods. 2013, 10(12): 1213–1218.)

DNA轉座,是一種把DNA序列從染色體的一個區域搬運到另外一個區域的現象,由DNA轉座酶來實現。這種轉座插入DNA,需要插入位點的染色質是開放的,否則就會被高級結構卡住。需要人為地將攜帶已知DNA序列標簽的轉座復合物(即帶著測序標簽的轉座酶),加入到細胞核中,再利用已知序列的標簽進行建庫后測序,就知道哪些區域是開放染色質了,這也就是ATAC-seq的原理。

技術流程

  • 制備細胞懸液
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  • 裂解細胞膜,獲取細胞核
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  • 采用Tn5進行酶切
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  • 回收DNA片段,PCR擴增建庫
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  • 高通量測序
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  • 大量的生信分析

技術應用

重大疾病發病機制:癌癥、生殖系統、糖尿病等疾病發病機制

藥物相關研究:藥物作用機制、新藥研發、耐藥性及敏感性研究

潛在標志物預測:臨床生物標志物發現、生物標志物功能研究

染色體結構研究:染色體開發性圖譜繪制、核小體定位預測、轉錄因子結合位點分析

案例分析

1. 重大疾病發病機制

該項目的研究課題為討論人小細胞肺癌促進癌癥擴散轉移的背景機制。主要為比較原發性和肝轉移性的小細胞肺癌細胞之間的差異。利用ATAC-seq,發現NFI家族轉錄因子富集在具有差異的染色質開放位點中,預示著NFI家族轉錄因子在調控腫瘤細胞轉移中扮演著重要角色。在染色質高開放性位點區域伴隨著Nfib拷貝數量增多,且Nfib在侵襲性原發性腫瘤和轉移性腫瘤內高表達,Nfib表現出維持染色質及遠端調控區域開放和促進神經基因表達的功能,說明了Nfib對促進癌細胞增殖和遷移具有重要的作用。

ATAC-seq與ChIP聯合分析

(引自Sarah K. Denny,1,Dian Yang, et al.Nfib Promotes Metastasis through a Widespread Increase in Chromatin Accessibility. Cell ,2016, 166(2): 328–342. //dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.052)

2. motif分析轉錄因子結合蛋白

對處于發育過程中的黑腹果蠅眼睛及其通過遺傳誘導的腫瘤模型,利用ATAC-seq技術分析染色質開放區域已在活體中發現驅動腫瘤發育的轉錄因子及調控區域。然后對找到的染色質活性開放區域進行轉錄因子預測分析,發現了兩個關鍵的轉錄因子,猜測它們可能與染色質圖譜的變化有關。通過對候選的一個轉錄因子進行功能驗證和靶標分析,發現其為腫瘤轉錄組中的一個關鍵的轉錄調控因子。

Motif分析

(引自Davie K, Jacobs J, et al. Discovery of Transcription Factors and Regulatory Regions Driving In Vivo Tumor Development by ATAC-seq and FAIRE-seq Open Chromatin Profiling. Plos Genetics, 2015, 11(2):e1004994.)

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