ATAC-seq hilft, den Mechanismus der Genregulation zu analysieren.

Mit dem vertieften Verständnis der Mechanismen der Genregulation wurde festgestellt, dass Veränderungen in der Epigenetik eine wichtige Rolle spielen. Derzeit ist die ATAC-seq-Sequenzierungstechnologie eine effektive Methode, um die Veränderung der Chromatinstruktur von niedrigem zu hohem Niveau in der Epigenetik zu messen. Die ATAC-seq-Technologie, die Tn5-Transposase verwendet, um proteinfreie Bindungsregionen des Genoms zu sequenzieren, kann mit der Chromatin-Immunpräzipitation in Kombination mit Deep Sequencing (ChIP-seq) und der Ribonukleinsäure-Sequenzierung (RNA-seq) kombiniert werden, um eine detaillierte Beschreibung der Genexpression zu liefern.

Vorteile und Anwendung von ATAC-seq

Im Vergleich zu anderen Technologien bietet ATAC-seq die Vorteile, dass es weniger Proben benötigt, eine kürzere Probenvorbereitungszeit hat und zuverlässiger ist. Zudem kann es gleichzeitig die genomische Position von offenem Chromatin sowie die Interaktion zwischen DNA-bindenden Proteinen und Transkriptionsbindungsstellen aufdecken. Folglich kann es in den folgenden Aspekten eingesetzt werden: ① Vorläufige Beurteilung, ob das Forschungsthema den epigenetischen Regulationsmechanismus betrifft; ② In Kombination mit Motivanalysen Identifizierung von Transkriptionsfaktoren, die an der Genregulation beteiligt sind; ③ Identifizierung von Transkriptionsfaktoren, die mit Zellschicksal, Krankheiten oder Reaktionen sowie Zielgenen und funktionalen Elementen, die von Transkriptionsfaktoren reguliert werden, in Verbindung stehen; ④ Gemeinsame Analyse mit der Identifizierung von Super-Enhancern zur Klärung des Umfangs aktiver Super-Enhancer; ⑤ Verständnis der Genregulations- und Zellreaktionsmechanismen von Medikamenten oder Krankheiten.

Prinzipien und Arbeitsablauf von ATAC-seq

Erforschung von genregulatorischen Faktoren durch scATAC-seq

Eine Eigenschaft der Aktivität von DNA-regulatorischen Elementen ist die Zugänglichkeit der Chromatinstruktur. Allerdings können nur aktive regulatorische Elemente von den zellulären Mechanismen erkannt und exprimiert werden, was zeigt, dass die Chromatinzugänglichkeit eng mit der Transkriptionsregulation verbunden ist. ATAC-seq ist auf Proben mit niedriger Zellzahl anwendbar, sogar auf Einzelzellen, was eine epigenomische Profilierung von Primärproben mit neu gewonnener Präzision ermöglicht hat. Bis heute wurde scATAC-seq verwendet, um die Zell-zu-Zell-Variabilität und seltene Zellphänotypen zu kartieren, einschließlich in gesunden und malignen Immunzellen. Das Team wendet scATAC-seq an, um Chromatinprofile von mehr als 200.000 Einzelzellen im menschlichen Blut und Basalzellkarzinom zu erhalten. Diese Studie beschreibt die epigenetische Regulation auf Einzelzellebene, um die Entwicklung menschlicher Immunzellen und die Regulation von tumorinfiltrierenden Lymphozyten zu charakterisieren. Darüber hinaus veranschaulicht sie auch, wie die Einzelzell-ATAC-seq Zelltypen und DNA-regulatorische Faktoren in gesunden und erkrankten Geweben finden kann.

Beispiele für menschliche Krankheiten mit ATAC-seq

Epigenetische Veränderungen gelten als eine der Ursachen für Krebs. Krebsstudien, einschließlich Bauchspeicheldrüsenkrebs, Leberkrebs und Blasenkrebs, die ATAC-seq und andere Sequenzierungstechniken wie RNA-seq und ChIP-seq verwendeten, haben neuartige regulatorische Mechanismen entdeckt und darauf hingewiesen, dass die Regulation der Epigenetik ein vielversprechendes Ziel für die Krebsbekämpfung sein könnte. Die Differenzierung menschlicher pluripotenter Stammzellen zu hämatopoetischen Vorläuferzellen kann als In-vitro-Modell für die menschliche embryonale Hämatopoese dienen, jedoch bleibt die dynamische Veränderung des Epigenoms und Transkriptoms unklar. Hier profilieren wir systematisch die Chromatinzugänglichkeit, H3K4me3- und H3K27me3-Modifikationen sowie das Transkriptom von intermediären Vorläuferzellen während der Differenzierung hämatopoetischer Vorläuferzellen in vitro. Gleichzeitig verwendeten sie auch Einzelzell-RNA-seq (scRNA-seq) und Einzelzell-ATAC-seq (scATAC-seq), um das Transkriptom und die offenen Chromatinmerkmale von Subpopulationen innerhalb von ECs und HPCs während des EHT-Fensters zu entschlüsseln. Umfassende Analysen zeigen die zeitlichen Veränderungen in der Chromatinstruktur und Genexpression während der Differenzierung von hPSC zu HPC und ermöglichen die Identifizierung von Regulatoren, die die HPC-Generierung orchestrieren. Diese Studie beschreibt eine Epigenom-Roadmap von menschlichen pluripotenten Stammzellen zu hämatopoetischen Vorläuferzellen, die eine Grundlage für die Erforschung hämatopoetischer Vorläuferzellen mit besserem Entwicklungspotenzial bieten könnte.

Die Analyse von ScRNA-seq und scATAC-seq zeigte Subpopulationen von ECs und frühen HPCs.

Das Aufkommen von ATAC-seq bietet eine neue Perspektive für das Verständnis biologischer Mechanismen in Bezug auf die Chromatinzugänglichkeit. Es kann verschiedene Modelle in Bezug auf verschiedene Omics-Methoden entsprechend den tatsächlichen Problemen erstellen und diese mit unterschiedlichen Technologien kombinieren. In zukünftiger wissenschaftlicher Forschung sind wir fest davon überzeugt, dass es hell erstrahlen und uns helfen wird, weitere biologische Geheimnisse zu erkunden.

Referenzen:

1. Luo, Liheng u. a. "Bibliometrische Überprüfung von ATAC-Seq und dessen Anwendung in der Genexpression." Briefings in Bioinformatik Bd. 23,3 (2022): bbac061.
2. Satpathy AT, Granja JM, Yost KE, u. a. Massiv parallele Einzelzell-Chromatinlandschaften der menschlichen Immunzellentwicklung und intratumoralen T-Zell-Erschöpfung. Nat Biotechnol2019;37(8):925-936.
3. Chen X, Wang P, Qiu H, u. a. Integrative epigenomische und transkriptomische Analysen zeigen die Notwendigkeit von JUNB für die Induktion des hämatopoetischen Schicksals. Nat Commun. 2022;13(1):3131. Veröffentlicht am 6. Juni 2022.
4. Jones, Peter A. u. a."Zielgerichtete Therapie des Krebs-Epigenoms." Naturwissenschaftliche Rezensionen. Genetik Bd. 17,10 (2016): 630-41.