分析 ATAC 测序：有用的指南

2022-05-22 10:33:06

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　　您可能听说过单细胞基因组学研究的最新分支：表观遗传学。生物界的这种热潮虽然是在 1942 年创造的，但直到最近才完全成为一个概念。

　　在对截至 2011 年所做研究的概述中，约翰霍普金斯医学院的詹姆斯汉密尔顿定义了表观遗传学并概述了其在各个领域的突出潜力：

　　“表观遗传学被定义为基因表达的可遗传变化，与突变不同，这些变化不能归因于 DNA 序列的改变……基因表达的表观遗传调控似乎对健康具有长期影响和广泛影响。饮食和环境暴露可能会改变表观遗传调控的水平和范围，因此表观遗传学研究的有趣发展可能解释了研究人员发现的生活方式和疾病风险之间的相关性。”

　　从本质上讲，这些 DNA 修饰是染色质的变化，可以逆转、逆转和再次逆转——每次都会改变表型。这些变化发生的速度有多快（世代相传，随后贯穿一生等），以及可能发生的变化都受到新研究的关注——尤其是与饮食和健康生活方式有关的情况。

　　这些修改是如何研究的？

　　你猜对了，转座酶可及染色质测序分析，或者简而言之，ATAC seq 分析。

　　继续阅读有关 ATAC 测序以及如何使用特定技术（包括流式细胞仪）的更多信息。

　　染色体、染色质和核小体 | 一些构建块

　　表观遗传学和 ATAC 测序之间存在联系：染色质。为了全面了解染色质区域及其重要性，让我们构建 DNA 构建块的金字塔状层次结构：

　　核小体——从底部开始，核小体是缠绕在 8 个组蛋白周围的 DNA 链。然后它们被额外的蛋白质进一步包裹得更紧，以形成染色质结构。

　　染色质——核小体与其他蛋白质结合构成染色质纤维。染色质有两种形式：常染色质（转录）和异染色质，无活性（未转录）。与其他蛋白质一起，染色质形成了染色体的结构。

　　染色体——人类基因组被编码成 23 对染色体，位于每个细胞内。这些染色体包含有关生物体的所有信息。就人类而言，这包括我们的身高、头发的颜色，一直到我们骨盆的形状。大约有30 亿个碱基对打包成核小体，它们紧密结合到染色质中，染色质进一步结合成奇怪的形状——染色体。

　　虽然研究这些因素中的每一个对于了解人类基因组的全貌至关重要，但染色质起着特别重要的作用。这就是 ATAC 测序发挥作用的地方。

　　转座酶可及染色质测序的测定

　　要了解 ATAC 测序的全部重要性，将其分解为组件可能更容易。

　　A –检测– 检测与细胞检测一样，是用于分析从分子生物学到药理学的所有细胞特征的调查方案。这可能包括：

　　特定细胞类型的种群大小

　　某些蛋白质或细胞表型的存在

　　不同细胞和亚细胞蛋白质的功能

　　T——转座酶——这种酶存在于细胞核内，具有将基因从一个 DNA 片段“剪切和粘贴”到另一个片段的非凡能力。它基本上重新排列了潜在的遗传密码。这是任何单个细胞的自然功能，用于消除致命突变或产生新的突变。这个过程被称为转座，有人认为它导致了人类早期前辈的所有基因突变的 40% 。

　　A -可访问性-DNA 仅在开放染色质链的某些区域可访问。这限制了可以发生多少转座以及在哪些调控区域发生。然而，这种单细胞染色质的可及性可能会发生变化，具体取决于环境和外部刺激。

　　C -染色质- 上面详述。

　　Seq –测序– DNA、RNA 和肽链分类和“读取”的过程称为测序。RNA 测序分析使用半导体技术将遗传信息（A、T、G、C）转化为计算信息流（1、0）。

　　然后把它放在一起：分析转座酶可及染色质测序是在给定基因组中映射或“读取”染色质可及性的方法。

　　ATAC 测序的进一步指南

　　ATAC seq 在 2013 年首次被概述为一种可能性，它迅速成为分子生物学的焦点。许多出版物将其列为开启进一步研究所需的基础技术。正如一篇关于ATAC-seq 数据的论文中提到的，冯岩写道：

　　“策划的 ATAC-seq 数据集和出版物的指数增长表明它在广泛的生物学问题中的价值，例如描绘健康哺乳动物组织和细胞类型中的增强子景观，研究正常造血和白血病之间的可及性变化，以及染色质精神分裂症患者和癌症基因组图谱（TCGA）泛癌队列中的状态。”

　　它在免疫学和肿瘤学等许多生物学领域越来越受欢迎。甚至那些研究衰老的人也在利用这种基本的单细胞测序。

　　ATAC-Seq 及其在癌症研究中的应用

　　通过基因表达的组织发育和维持受表观遗传机制控制。研究人员怀疑正常表观遗传过程的破坏是导致癌细胞的原因。事实上，无功能细胞是对癌细胞是什么的粗略解释。例如，当肝脏的很大一部分由癌性肝细胞组成时，问题是现在有很大一部分肝脏功能不正常。除非阻止继续增殖，否则癌细胞最终会扩散并使肝脏变得无用。

　　染色质和表观遗传学在哪里发挥作用？

　　在Shikhar Sharma、Theresa Kelly 和 Peter Jones所做的一项名为“癌症表观遗传学”的分析中，他们写道：

　　“癌症的遗传起源已被广泛接受；然而，最近的研究表明，表观遗传改变可能是某些癌症的关键起始事件。这些发现促成了一项全球倡议，以了解表观遗传学在癌症发生和传播中的作用。”

　　肿瘤学中表观遗传学的研究很大程度上依赖于 ATAC-seq 分析的结果。研究人员可以对特定癌细胞的可接近染色质进行测序，以确定表观遗传异常是否在疾病中起作用。Sharma 和团队继续对表观遗传学和癌症的未来提出有希望的事情：

　　“癌症中发生的深刻表观遗传变化的可逆性导致了‘表观遗传疗法’作为一种治疗选择的可能性。表观遗传治疗的目的是逆转癌症中发生的因果表观遗传异常，从而恢复‘正常的表观基因组’。”

　　ATAC-Seq 和老化过程的揭示

　　生物学家日益追求的一个研究领域是衰老研究。表观遗传学似乎是解开植物、动物和人类衰老之谜的关键。

　　随着细胞经历更多的表观遗传变化，细胞分裂受到影响（这可能与衰老过程有关）。

　　正如Sangita Pal 和 Jessica Tyler在表观遗传学和衰老分析中总结的那样：

　　“……年轻的健康细胞保持一种表观遗传状态，促进紧凑染色质结构的形成和所有基本生物过程的精确调节。然而，衰老细胞在染色质景观、DNA 可及性和 ncRNA 产生的各个方面都发生了变化，直到超过基因表达改变和受损基因组区域的阈值，细胞最终在通过细胞的进程中永久停止循环。表观遗传机制的可逆性使得恢复或逆转其中一些表型以获得更年轻的细胞成为可能。”

　　虽然在不久的将来“减缓”衰老过程似乎是可能的；关于停止它然后逆转它的过程仍然存在很大的问题。

　　将 ATAC-Seq 分析与多组学方法相结合

　　另一种快速发展的分析策略是评估细胞的“多组学”。这种方法结合了传统的调查技术，使研究人员可以同时研究多个生物学领域。这包括一个单元格的：

　　基因组

　　表观基因组

　　转录组

　　蛋白质组

　　代谢组

　　微生物组

　　ATAC-seq 是一种强大的方法，有助于分解染色质区域的特性，染色质区域是表观基因组领域的关键参与者。将此与其他技术相结合以实现多变量和关系分析将确保许多新发现的出现。

　　改进的 ATAC 测序的更多好处

　　任何研究领域的发展方式都是三个主要组成部分的混合体：蛮力科学方法、新发现以及将研究从一个领域移植到另一个领域。没有一个领域是孤立运作的，因此，表观遗传学——得益于 ATAC seq 数据而不断深化的领域——就像一个不断扩大的保护伞，涵盖医学、生物学、进化理论、饮食理论、神经学等。