技術(shù)介紹

染色質(zhì)轉座酶可及性測序（Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high throughput sequencing, ATAC-seq）是一種創(chuàng )新的表觀(guān)遺傳學(xué)研究技術(shù)，由美國Stanford大學(xué)的William Greenleaf教授在2013年所研發(fā)，該技術(shù)利用DNA轉座酶Tn5酶對某種特定時(shí)空下開(kāi)放的核染色質(zhì)區域進(jìn)行切割，并結合高通量測序技術(shù)來(lái)研究染色體的開(kāi)放性，進(jìn)而獲得在該特定時(shí)空下基因組中所有活躍轉錄的調控序列。

結合10X Genomics測序平臺，Chromium單細胞核ATAC測序技術(shù)（snATAC-seq）可以幫助研究者在單細胞水平上分析染色質(zhì)開(kāi)放性，逐個(gè)細胞地揭示表觀(guān)基因組景觀(guān)，從而獲得細胞類(lèi)型和狀態(tài)的信息并深入探究基因調控機制。snATAC-seq可廣泛應用于癌癥、免疫、干細胞、胚胎分化發(fā)育和神經(jīng)分化發(fā)育等表觀(guān)遺傳修飾的研究，為疾病或遺傳發(fā)育等研究提供了新的思路。

研究方向

? 定義細胞類(lèi)型和細胞狀態(tài)

? 鑒定主要的調控因子

? 探索順式調控元件，如啟動(dòng)子和增強子

? 描繪基因調控網(wǎng)絡(luò )

技術(shù)優(yōu)勢

? 單細胞分辨率

跨越群體的平均數信息，獲得單個(gè)細胞核的表觀(guān)基因組圖譜

? 高捕獲效率

每個(gè)樣本細胞核捕獲率可達60%以上

? 兼容多類(lèi)型樣本

經(jīng)驗證適用于細胞系、原代細胞、新鮮或冷凍組織的組織樣本

? 低成本

相較于其他單細胞核捕獲平臺或傳統酶切方法，10X平臺成本更低

項目流程

送樣建議

樣本來(lái)源：人、大鼠和小鼠（其他樣本類(lèi)型請咨詢(xún)）

新鮮或凍存的組織樣本：黃豆大??；

單細胞懸浮液樣本：500-2,000個(gè)細胞/μL、細胞小于40μm、細胞數大于10⁶、細胞活性大于80%；

單細胞細胞核懸浮液樣本：3,000-5,000個(gè)細胞核/μL、體積大于50μL、核膜完整性較好；

結果展示

圖1 高質(zhì)量的單細胞ATAC-seq文庫。左圖展示了GM12878細胞系的單細胞ATAC-seq文庫的插入片段大小分布情況，峰的出現以每184個(gè)堿基對的長(cháng)度作為周期，揭示了單個(gè)核小體和核小體多聚體對基因組的保護情況；右圖展示了GM12878細胞系中預測的轉錄因子 (CTCF) 結合位點(diǎn)的足跡信號的累積情況。

圖2 外周血單個(gè)核細胞 (PBMC) 的染色質(zhì)開(kāi)放性圖譜。左圖來(lái)自健康捐贈者的約10,000個(gè) PBMC的t-SNE聚類(lèi)結果?；诔浞直碚鞯?TF 基序和細胞類(lèi)型特異性峰的富集分數確定主要亞群；中圖和右圖展示了表面覆蓋有CEBPA（單核細胞標志物）和 ELF1（自然殺傷T 細胞標志物）的PBMC的染色質(zhì)開(kāi)放性圖譜，其中PBMC由20%的單核細胞和66%的自然殺傷T細胞組成。

經(jīng)典案例

英文標題：Developmental and evolutionary dynamics of cis-regulatory elements in mouse cerebellar cells ¹

發(fā)表期刊：Science (IF=47.73)

在傳統認識中，小腦主要起著(zhù)維持身體平衡、和協(xié)調軀體運動(dòng)的作用，除此之外，小腦還參與其他復雜動(dòng)作的過(guò)程，如語(yǔ)言和記憶等。小腦在發(fā)育過(guò)程中，生發(fā)區以時(shí)空受限的方式產(chǎn)生不同的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞群——腦室區和菱形唇。細胞類(lèi)型的特化和分化過(guò)程由增強子和啟動(dòng)子等順式作用元件 (CRE)、以及與它們結合的轉錄因子 (TF) 所調控。單細胞方法已被用于研究大腦的基因調控機制，包括發(fā)育中的小鼠以及成年小鼠大腦和人類(lèi)大腦，但一直缺乏對哺乳動(dòng)物器官發(fā)育過(guò)程的全面描述。

在本項研究中，作者首先使用了snATAC-seq技術(shù)來(lái)描繪小鼠出生前后、跨越11個(gè)階段的小腦發(fā)育時(shí)期中約90,000個(gè)細胞的染色質(zhì)可及性的景觀(guān)（代表CRE的活性），該CRE活性特征圖譜突出了基因調控過(guò)程中在細胞水平和時(shí)間維度上的特異性，發(fā)現了細胞分化的命運與小腦祖細胞的時(shí)空異質(zhì)性有關(guān)。然后，作者將上述snATAC-seq數據關(guān)聯(lián)脊椎動(dòng)物基因組進(jìn)行進(jìn)化分析，發(fā)現CRE序列在小腦發(fā)育過(guò)程中保守性下降，這可能是由于小腦細胞分化導致的。這項研究評估了小鼠小腦基因調控下的發(fā)育和進(jìn)化動(dòng)力學(xué)，并為哺乳動(dòng)物器官發(fā)育提供了新見(jiàn)解。

圖3 小鼠小腦發(fā)育的snATAC-seq圖譜

1.Sarropoulos I, Sepp M, Fr?mel R, et al. Developmental and evolutionary dynamics of cis-regulatory elements in mouse cerebellar cells. Science (1979). 2021;373(6558). doi:10.1126/science.abg4696