ATAC-seq 技术原理与图示

                     ATAC-seq 技术原理（2013年开始）

ATAC-seq技术简介
ATAC-seq最近几年是比较火的一种测序技术。那什么是ATAC-seq技术呢？ATAC-seq的全称是Assay for Transposase Accessible Chromatin using sequencing, 运用测序手段研究转座酶可接近的染色质的实验。
真核生物的DNA并不是裸露的， 由组蛋白与之结合。DNA缠绕在组蛋白上，形成串珠式结构。这样的结构进一步折叠，并在其它蛋白的辅助下形成染色体。DNA的复制、基因的转录过程中又需要将DNA的高级结构解开，这部分打开的染色质，就是开放染色质区域。这些区域是转录因子和转录元件的重要结合位点。2013年，美国William Greenleaf教授开发了这种ATAC-seq技术（见图1），利用T5转座酶进入并切割暴露的DNA区域，同时连接上特异的测序adaptor。连接上adaptors的DNA片段被分离出来用于高通量测序，被测序的区域即为开放染色质区域。

图1:ATAC-seq技术示意图

在ATAC-seq诞生技术以前，也有很多别的实验方法来研究开放染色质区域，图2总结了多种研究染色质结构的实验方法比较。
ChIP-seq: 经典研究转录因子与DNA结合的方法，利用超声波打断染色质，但是通量较低。需要使用特异性的蛋白抗体来富集其结合的DNA，一次反应只能提供一个转录因子的DNA结合信息。而且制备时间较长，需要3-4天。
DNase-seq: 当染色质变得开放，就会有部分DNA暴露出来。这样裸露的DNA片段可以被DNase I内切酶切割。对切割完的DNA片段进行测序，和已知的全基因组序列比较，就能发现被切掉的区域是哪部分，可以找到开放染色质区域。这个方法缺陷是耗时、费力，一般需要2-3天。对起始量需求也较高。一般细胞数量需要达到106 ，而且重复性也较差。
MNase-seq: 和DNase-seq技术互补，主要是利用外切酶将含有核小体包裹的区域切割下来并测序，反向比较获得开放染色质区域。弊端和DNase-seq也类似。
FAIRE-seq: 利用甲醛将染色质中裸露的DNA进行固定，超声波打断染色质，再通过酚氯仿抽提来分离打断的DNA。步骤复杂，样品制备周期长。
ATAC-seq: 利用Tn5转座酶，切割DNA的时候同时加入接头，再PCR扩增即可以测序。相比于ChIP-seq, 一次ATAC-seq实验就可以获得某个特定时空条件下所有的开放染色质区域。相比于DNase-seq、MNase-seq和FAIRE-seq, ATAC-seq样品需求量大大减少。细胞量从500到50,000，远小于其它实验至少需要106。ATAC-seq需要的测序深度也比其它实验降低了几十倍。ATAC-seq样本制备快，几个小时就能完成，也能更好的保证重复性。

图2: ChIP-seq, DNase-seq, ATAC-seq, MNase-seq 和FAIRE-seq实验比较

目前为止，ATAC-seq相关的研究几乎都发表了大文章，特别是关于不同发育时期阶段染色质开放区域的动态变化。未来这个技术可能会运用到多个物种或多种生物学过程的研究。


参考文献

1）Buenrostro J. et al. (2013) Transposition of native chromatin for multimodal regulatory analysis and personal epigenomics. Nature Methods, 10: 1213-1218
2）Meyer C. and Liu X. (2014) Identifying and mitigating bias in next-generation sequencing methods for chromatin biology. Nature Review Genetics, 15:709-721