基因和遗传对细胞功能、个体表型发挥重要的作用。除此之外，非遗传因素也有助于许多细胞功能、性状及表型。康拉德·哈尔·沃丁顿是最早认识到这一概念的人之一，并在1942年提出了“epigenetics”一词，也就是我们现在所说的表观遗传学。
时至今日，表观遗传学主要是研究基因表达中可逆的、可遗传的变化，这种变化不涉及潜在的DNA序列的变化，即表型的变化而不改变基因型。在哺乳动物中，表观遗传调控在许多不同的生物学过程中都是至关重要的，比如发育、细胞分化和增殖。全面了解调控网络和表观遗传机制，仍然是一个关键的科学目标，对人类健康具有广泛的影响。
随着二代测序技术的不断发展，将NGS与表观遗传学已建立的技术方法相结合，使得表观遗传学也得到了突飞猛进的发展，一些更成熟的DNA甲基化、染色质分析和表达分析技术平台已经得到了广泛的研究。今天我们就来介绍众多表观遗传学技术中的一种——ATAC-Seq技术。
ATAC-Seq的由来
ATAC-Seq的全称是Assay for Transposase Accessible Chromatin using sequencing，中文译为染色体可及性测序。是利用Tn5转座酶切割染色质的开放区域并标记DNA序列，结合二代测序来获得相应基因的信息。
最早是由斯坦福大学的William J. Greenleaf和Howard Y. Chang在2013年发表在Nat Methods杂志上（Transposition of native chromatin for multimodal regulatory analysis and personal epigenomics），研究者当时使用ATAC-seq来识别开放染色质区域，识别调控区域中的核小体结合和核小体不结合的位置。
为什么要做ATAC-Seq？
看到上面的信息，我们不禁产生一个疑问，就是为什么要研究染色质的开放区域？我们知道真核生物的遗传物质是染色体，染色体的基本结构单位是核小体，正常情况下染色体是螺旋缠绕在一起的，DNA的活动就会受到限制。
如果DNA想复制或者转录就需要先把螺旋打开，这样相关的酶才能结合到DNA上面发挥各自的功能。而螺旋打开的这一部分就被称为开放的染色质，这一部分可以让各种调控因子等结合上去，所以称为染色质的可及性。研究这一部分我们就可以知道发生转录的DNA区域，所以具有重要的意义。
ATAC-Seq的原理
细菌转座酶Tn5在二代测序的建库中已有广泛应用，借助二聚体Tn5独特的“标记”功能，可以切割双链DNA并将得到的DNA末端连接到特定的接头上。ATAC-Seq也是利用Tn5转座酶技术，转座酶可以结合到染色质的开放区域并进行切割打断，而螺旋缠绕的部分不会受到转座酶的影响。把这些被切割打断后的DNA收集在一起进行文库构建、测序就可以得到开放染色质的信息。
ATAC-Seq的流程
ATAC-Seq的优势
在ATAC-Seq技术被开发出来以前，有几种常用的研究开放染色质的方法，比如MNase-seq、DNase-seq、FAIRE-seq等。但这些技术有明显的不足之处，比如需要的细胞数量非常大，实验过程繁琐，且测序得到的数据覆盖范围相对ATAC-Seq要少等。所以后来才研发了新技术-ATAC-Seq。相比来讲，ATAC-Seq起始的细胞量低，耗时短，而且获得的开放区范围比较大。
ATAC-Seq的应用及解决的问题
从被研发出来，该技术就迅速得到了广泛的应用。在Pumed上使用ATAC-Seq作为关键词进行检索，得到的结果超过5600篇。ATAC-Seq技术本身也会随着其它技术的不断发展而得到新的应用，比如将单细胞测序技术与其相结合的scATAC-Seq，是ATAC-Seq现阶段一个新的进展。
使用ATAC-Seq技术我们可以解决多种问题，如重大疾病发病机制研究；寻找疾病的染色质开放区域差异；研究转录因子结合调控的差异；识别发育过程中的新型增强子；进行核小体定位等。
另外，该技术还可以与其它技术联合使用，比如与ChIP-seq相结合，使用后者来验证通过ATAC-Seq预测得到的转录因子潜在结合区域。又或者可以与转录组测序相结合，将差异表达基因与Peak结果相结合，查看转录本的对应表达情况、研究上游调控序列情况，这些都是目前研究的一些热门课题。
案例解析
研究题目：Integrative Single-Cell RNA-Seq and ATAC-Seq Analysis of Human Developmental Hematopoiesis（人类发育过程中造血功能的scRNA-seq和ATAC-seq数据整合分析）
发表杂志及时间：Cell Stem Cell. 2021 Mar 4; 28(3): 472-487.e7.
研究背景：在人类发展过程中，造血功能的调节仍不明确。而且有研究发现造血祖细胞群在转录水平上是异质的。造血干细胞的启动不仅发生在转录水平上，而且也发生在表观遗传水平上。
研究内容：通过单细胞转录组测序及单细胞ATAC-Seq测序对来自胎儿（17-22 pcw）肝脏和骨髓的8000多个人类免疫表型血细胞进行测序，以确定血液分化过程中的转录和表观遗传变化。
研究方案：
研究结果：
该研究提供了来自肝脏和骨髓的胚胎HSPCs的高分辨率转录和染色质可及性图谱，具体结果如下。
1、单细胞分析显示，在所有免疫表型确定的干细胞和祖细胞群体中存在显著的转录异质性，一些表型祖细胞群体（如造血干细胞）由超过10个不同的转录定义群体组成。
2、人类胚胎Lin- CD34 CD38-细胞的sc ATAC-Seq测序，共得到7个不同的可明显分离的集群。与干细胞相关的标记基因（如MLLT3、PROM1、FLI1和GATA2）的可及性较高，而与不同谱系相关的基因的可及性较低。在标记基因的整体可达性方面，簇明显分离。谱系特异性造血TF基序的可及性的动态变化与sc RNA-Seq结果一致。
3、基于基因体可及性绘制细胞图谱来整合scRNA-Seq和scATAC- seq数据，结果发现scATAC-seq数据集的细胞类型频率与scRNA -seq数据集的细胞类型频率高度一致，这表明染色质可及性和转录组具有相关性。进一步探索分化过程中染色质可及性和基因表达之间的“时滞”，结果显示HSCs/MPP中染色质的可及性早于转录变化。
APExBIO Technology（上海伟寰生物）可以提供ATAC-Seq测序等在内的多种表观遗传学项目的科研服务，我们期待您的垂询。
参考文献
Transposition of native chromatin for multimodal regulatory analysis and personal epigenomics.
Chromatin accessibility: a window into the genome.
Integrative Single-Cell RNA-Seq and ATAC-Seq Analysis of Human Developmental Hematopoiesis.
Transposition of native chromatin for multimodal regulatory analysis and personal epigenomics.
Chromatin accessibility: a window into the genome.
Integrative Single-Cell RNA-Seq and ATAC-Seq Analysis of Human Developmental Hematopoiesis.
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