什麼是「 ATAC-seq 技術」？現在用於哪些生物學研究？

01-04

ATAC-seq全稱Assay for Transposase Accessible Chromatin with high-throughput sequencing，即利用轉座酶研究染色質可進入性的高通量測序技術。

要理解這個東西有什麼用，首先得認識一下染色體/質的結構。

真核生物的核DNA並不是裸露的，而是有蛋白質即組蛋白與之相結合的。DNA一圈一圈得纏繞在組蛋白上，形成串珠式的結構。而這樣的結構還能夠進一步摺疊、濃聚，並在其他架構蛋白的輔助下，形成染色體。

這樣做的意義在於，將超長的DNA鏈，摺疊成很小很小的結構，從而能夠塞進小小的細胞核里。比如說，人類的DNA鏈如果完整展開，那麼大概會有2米那麼長。而經過這樣的摺疊，就變成了納米至微米級染色體/質的結構了。

但是我們又知道，DNA的複製，基因的轉錄，是需要將DNA的高級結構解開的。這就類似於我們要從zip文件中獲得信息的話，首先需要解壓縮。但是，這裡的解壓縮並不需要將整個zip全部打開，而只需要打開一部分，即需要表達基因的區域即可。

這部分打開的染色質，就叫開放染色質（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）跑過來與之相結合。而染色質的這種特性，就叫做染色質的可進入性（chromatin accessibility）。

我們如何去尋找開放的染色質區域呢？

傳統的實驗方法主要是藉助MNase-seq和DNase I hypersensitivity assay。

這兩個實驗的主要思路是一致的：染色質變得開放，就意味著DNA和組蛋白的濃聚程度降低，就會有一部分DNA暴露出來。而一旦失去了蛋白質的保護，這部分DNA就可以被DNA酶（MNase或DNase I）所切割。然後，我們再把切割完的DNA拿來測序，和已知的全基因組序列相比較，就能發現被切掉的是哪些東西，沒有被切掉的地方又在哪裡，就知道開放的染色質區域在哪裡了。

不過，這兩個方法有明顯的缺陷。即耗時費力與重複性差。具體就不展開講，親手做過的就知道這兩個方法有多麼討厭。

2013年，美國Stanford大學的William Greenleaf教授研發了一種全新的方法，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，即ATAC-seq。

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，也是需要插入位點的染色質是開放的，否則就會被一大坨高級結構給卡住。那麼，我們只要人為地，將攜帶已知DNA序列標籤的轉座複合物（即帶著測序標籤的轉座酶），加入到細胞核中，再利用已知序列的標籤進行PCR後測序，就知道哪些區域是開放染色質了。而這也就是ATAC-seq的原理。

ATAC-seq出來的結果，和傳統方法出來的結果具有很強的一致性，同時也和基於組蛋白修飾marker的ChIP-seq有較高的吻合程度。而相比起來，ATAC-seq的重複性，比MNase-seq和DNase-seq的更強，操作起來也更加簡單，而且只需要很少的細胞/組織量，同時出來的信號更加漂亮。目前已經是研究染色質開放性首選的技術方法。

http://www.rainbow-genome.com/about/表觀遺傳學技術專欄/

這裡面有很多atacseq的帖子寫的不錯~

簡單來說 atacseq 能幹這麼幾個事

1）從機制研究的角度，闡述關心的生物通路，細胞反應，細胞表型和疾病是否與表觀遺傳學的調控相關。開疆破土的思維！

2）快速的決定表觀遺傳修飾是否在研究者感興趣的課題中起到一定作用（主要是通過比較疾病組和正常組的ATACseq的差異，從而推測表觀遺傳是否在疾病中起到一定作用）

案例：

「我感興趣的生物學問題跟表觀遺傳調控有關係嗎？我擔心直接做ChIP-seq、DNA甲基化等表觀實驗看不到差異。」

這時，不妨先做ATAC-seq，看開放染色質（open chromatin、transposase-accessible chromatin）是否有變化, 做一個對錶觀遺傳學調控是否參與了我感興趣的生物學問題的基本判斷。

3）通過ATACseq定義的open chromatin區域，再結合motif 分析，識別哪種轉錄因子參與了基因表達調控（對於抗體質量不好的TF，尤其有效）

「我要研究的是具體的生物學問題，研究某個基因的上下游調控機制，那些揭示基因組普遍規律的文章不適合我。」

ATAC-seq適合你，它能回答以下三個問題：

1. 找調控某一生物學過程的關鍵轉錄因子

2. 找哪個轉錄因子調控了我感興趣的基因

3. 找我感興趣的轉錄因子調控的靶基因

頡偉老師2015年那篇Nature可以說是用ATAC-seq找關鍵轉錄因子的範本。《表觀遺傳是怎樣遺傳的？| 頡偉講怎樣用ATAC-seq研究表觀遺傳機制的視頻》，下面是部分ppt截圖，進入鏈接獲取ppt，看視頻。

用ATAC-seq標出早期胚胎髮育各時期的開放染色質區域，找出差異，查看差異開放染色質區域富集了哪些轉錄因子的motif，這些轉錄因子就是調控2細胞期→4細胞期→8細胞期→囊胚期這一發育過程的關鍵轉錄因子。

謝邀@芝士喵

關於基本概念，已經有很好的答案了。

我就只說下這個技術在應用上的一點經驗吧。

1）首先減少無效的mtDNA read，推薦使用M. Ryan Corces(他爹要是早點告訴我這個改進，我就不會浪費那麼多錢了。。。）的fast ATAC protocol，Google直接搜。親測mtDNA read從50-80%降至10%以下，大大的減少了成本。

2）由於Tn5在ATACseq里的成功表現，Tn5的使用已被極大的擴展到ChIPseq和HiC以及兩種實驗的hybrid里，比如ChIA-PET和HiChIP。將所需細胞數從108降到106以下，測序深度billion降到million。雖然目前looping的技術難度還比較大，但不久以後各種looping的paper會滿天飛。我就正在做相關課題。

3）常規ChIPseq在比較兩個或多個樣本時，很難精準區分有意義的regulatory binding element。但由於ATACseq的高解析度和本身信號的屬性，可以先將differential regulatory sequence（enhancer等）找出，然後在將ChIPseq的數據疊加上去，更容易得到特定peak subset里的顯著差異。

好像還有個4）來著，寫著寫著忘了