ATAC-seq：染色質開放性測序技術

註：本文整理自答案【吳思涵：什麼是「 ATAC-seq 技術」？現在用於哪些生物學研究？】略有調整。

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。

要理解這項技術的作用，首先需要認識染色體/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一圈一圈地纏繞在組蛋白上，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，能夠將超長的DNA鏈，摺疊成很小很小的結構，從而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。

這就好比我們在電腦中，將一個記錄著ATCG四個鹼基的純文本文件，通過演算法將其壓縮成zip文件。

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，要從zip文件中獲得信息，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。而這一個過程，主要由染色體組蛋白的修飾（尤其是乙醯化）來實現的。

這部分打開的染色質，就叫開放染色質（open chromatin）。而染色質一旦打開，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地方，沒有被切掉的地方又在哪裡，從而獲知開放的染色質區域。

不過，這兩個方法都有明顯的缺陷，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，如上圖a，我們只要人為地，將攜帶已知DNA序列標籤的轉座複合物（即帶著紅色藍色測序標籤的轉座酶Tn5），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。也就是說，ATAC-seq中的peak，往往是啟動子、增強子序列，以及一些反式調控因子結合的位點。

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。