ATAC-seq

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经典案例

案例一 通过对多种植物和细胞类型的染色质区进行分析,揭示了常见的基因调控原理和新的调控模块

Profiling of accessible chromatin regions across multiple plant species and cell types reveals
common gene regulatory principles and new control modules

期刊: Plant Cell
影响因子:8.6880
发表单位:Emory University
发表年份:2017年12月

研究背景

相较于动物而言,植物基因组的转录调控原则仍然定义不明确。目前尚不清楚有多少顺式调控元件存在,这些元件相对于启动子的位置,以及如何存在于不同植物物种中。作者以四种植物物种(拟南芥,蒺藜苜蓿,番茄和水稻)为研究对象,通过 ATAC-seq 来描绘每个基因组中的开放染色质图谱及对应的转录因子(TF)结合位点。

方法流程

取材

拟南芥,苜蓿,番茄,水稻根尖细胞,还有拟南芥的根毛细胞和无根毛表皮细胞

建库

提取细胞核,Tn5转座与纯化,构建 ATAC-seq 文库

测序

Illumina NextSeq 500 或 HiSeq 2000,SE50 或 PE36

信息分析

序列比对过滤可视化分析、物种间同源基因的鉴定、Peak Calling 并检测转座酶超敏位点(THSs)、THSs 相对基因组分布、TF motif 分析、THS 相对于基因位置、GO 富集分析

研究结果

1. 四种植物根尖开放染色质图谱的比较

通过对每个物种 ATAC-seq 数据的可视化,并统计分析 THS 相对基因组的位置,基因 TSS 位点的分布情况和每个物种中单个基因的上游 THS 数量。结果表明植物中每个基因的调控元件数量相对较少,且这些元件倾向于聚焦在启动子附近。

2. 四个物种开放染色质区域和调控元件的表征

通过对每个物种中373个直系同源基因上游 THS 数量进行聚类分析,TF 靶基因预测及聚类分析,结果发现 TF 与基因调节网络通常是保守的。

3. 拟南芥根毛和非毛细胞类型中开放染色质区域的表征

通过对根毛和非根毛细胞 ATAC-seq 数据的比较分析,包括可视化分析及对 THS 的分析等,作者揭示了两组织类型中开放染色质区域广泛的相似性以及细胞类型特异性差异区域。

参考文献

Maher K A, Bajic M, Kajala K, et al. Profiling of accessible chromatin regions across multiple plant species and cell types reveals common gene regulatory principles and new control modules[J]. Plant Cell, 2017.

案例二 Acoel基因组揭示了全身再生的调节环境

Acoel genome reveals the regulatory landscape of whole-body regeneration

期刊: Science
影响因子:41.037
发表单位:Harvard University
发表年份:2019年3

研究背景

全身组织再生的过程伴随着一系列基因转录水平的变化,而转录水平受到染色质开放状态的调控,这种组织再生过程的转录调控机制还未被阐明。研究者以三带黑豹蠕虫为研究对象,首先构建了其参考基因组序列。然后采用ATAC-seq 技术,揭示与再生应答相关的染色质开放区,并鉴定转录因子结合位点。

方法流程

取材

将虫体从中部截肢后,在0 h、3 h、6 h、12 h、24 h、48 h共6个时间点分别取靠近头部和靠近尾部的损伤面,每个样品各2个生物学重复。

建库

提取细胞核,Tn5 转座与纯化,构建 ATAC-seq 文库

测序

Illumina NextSeq

分析

序列比对过滤可视化分析、Peak Calling、peak 相对 TSS 位点的分布、TF motif 富集

研究结果

1. 染色质在再生过程中是高度活跃的

ATAC-seq 结果表明,在尾部再生过程中的不同时间节点中,共鉴定出约18,000个差异开放区域,大部分位于内含子和
基因间区。6 h时的 peaks 最多,随后新开放的 peaks 逐渐减少,到24 h~48 h时染色质开放区域逐渐关闭。为找到这
些差异开放染色质区域的调控机制,ATAC-seq 分析了全基因组中差异开放区的 motif,得到三种显著差异 motif 位
点:a. 在靠近头部的样品中变化较大;b. 在靠近尾部的样品中变化较大;c. 在靠近头部和尾部的样品中均变化较大。
其中,一种叫做早期生长应答(early growth response, EGR)因子的结合位点差异最为显著:EGR motif 在0 h时处
于关闭状态,在3 h时处于开放状态,直到48 h时仍处于开放状态,表明 Egr 蛋白在组织再生过程的重要性,并且 EGR
在其它可再生动物中的同源基因也被报道在组织再生过程中发挥重要作用。

2. Egr 直接调控其它损伤应答转录因子的表达

在6 h时用 RNAi 抑制 EGR 表达,通过 RNA-seq 数据发现一系列 EGR 靶基因,而这些靶基因中多数包含与再生响应
染色质区域相邻的 EGR 结合位点。这些靶基因中有12个关键基因的表达发生下调。为了验证其下调是否是由于 EGR 的
直接调控造成的,研究者同时进行了 ATAC-seq 分析,发现含有 Egr 蛋白结合位点的12个基因中,有10个基因的上游
开放区均明显减弱,包括 EGR 基因本身的开放状态也趋向于被关闭。这10个基因包括2个转录因子编码基因(runt,
deaf1
),一些信号通路中的调节因子(follistatin, nrg-1, nrg-2, nlk),有多种功能的细胞质蛋白(p-protein, ankrd, mtss-1
)和1个未知的蛋白编码基因(wound induced expression-1, wie-1)。这些结果表明 Egr 蛋白可以直接结合至自身和其它
损伤应答基因的调控区来开启基因的表达。

研究结论

作者成功解析三带黑豹蠕虫全身再生过程中染色质环境对动态变化的基因转录的调节。通过这些研究可以构建出全身组织再生过程的基因表达调控网络,也促进了物种间的组织再生过程的比较基因组学研究。

参考文献

Gehrke A R, Neverett E, Luo Y J, et al. Acoel genome reveals the regulatory landscape of whole-body regeneration[J]. Science, 2019, 363(6432).