Kombination von ChIP-seq und ATAC-seq beleuchtet die regulatorische Landschaft des Genoms

Während ChIP-seq und ATAC-seq einzeln wertvolle Einblicke in verschiedene Aspekte der Chromatinbiologie bieten, eröffnet ihre Kombination ein tieferes Verständnis der Genregulation. Die Integration von ChIP-seq-Daten mit ATAC-seq Daten ermöglichen es Forschern, die Verbindung zwischen der Bindung von Transkriptionsfaktoren und der Chromatinzugänglichkeit zu untersuchen.

Durch den Vergleich ChIP-seq Und ATAC-seq-Profile ermöglichen es Forschern zu bestimmen, ob Transkriptionsfaktoren an Regionen von zugänglichem Chromatin gebunden sind, was auf aktive regulatorische Stellen hindeutet. Umgekehrt kann, wenn die Bindung von Transkriptionsfaktoren in Regionen mit geschlossenem Chromatin nachgewiesen wird, dies auf das Potenzial zur Genregulation bei Chromatinumbau hinweisen.

Die Kombination dieser Techniken hilft auch dabei, zellspezifische regulatorische Elemente zu identifizieren. Die gemeinsame Analyse ermöglicht es den Forschern, zwischen allgemeinen regulatorischen Elementen, die in den meisten Zelltypen vorkommen, und solchen, die einzigartig für bestimmte Zelllinien sind, zu unterscheiden, und bietet wichtige Einblicke in die zellspezifische Genregulation und potenzielle therapeutische Ziele.

Workflows von ChIP-seq und ATAC-seq. (Ma et al., 2020)

ChIP-seq und ATAC-seq fördern die Forschung zu Embryo-Chromatin

Während der embryonalen Entwicklung von Säugetieren treten verschiedene epigenetische Veränderungen im gesamten Genom auf, einschließlich DNA-Methylierung, Histonmodifikationen, offener Chromatinregionen und Veränderungen in der Chromatinstruktur. Diese genomischen Regulatoren, wie Promotoren, Enhancer, Isolatoren und Motivkontrollregionen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung der embryonalen Entwicklung durch Interaktionen mit zellspezifischen Transkriptionsfaktoren. Darüber hinaus haben die langfristigen Interaktionen zwischen diesen regulatorischen Elementen das Interesse der Forscher geweckt.

Jüngste Innovationen in der ChIP-seq-Technologie haben es ermöglicht, Histonmodifikationen in sehr geringen Zellzahlen, wie zum Beispiel in Embryonen, zu untersuchen. In frühen Mausembryonen unterliegt die Histonmodifikation H3K4me3 umfangreichen Reprogrammierungsereignissen. Sie verschwindet im Syncytium und taucht während der syncytialen Genomaktivierung (ZGA) des Nachkommens wieder auf. Durch die Optimierung von ChIP-seq in Embryonen können Forscher in den komplexen Prozess eintauchen, wie mammalische Histonmodifikationen von Eltern auf Nachkommen übertragen werden. Dazu gehört die Identifizierung von Unterschieden in den Modifikationsmustern der Eltern vor und nach der Befruchtung, was wichtige Entwicklungsereignisse beleuchtet.

Ähnlich findet die verbesserte ATAC-seq-Methode Anwendung in embryonalen Geweben und unterstützt die Lokalisierung der genomweiten Chromatinzugänglichkeit während kritischer Phasen der embryonalen Entwicklung. Zum Beispiel hat ATAC-seq bei Präimplantationsembryonen eine entscheidende Rolle dabei gespielt, hochauflösende Chromatinveränderungen während der Zygotenaktivierung (ZGA) und die zeitlichen Dynamiken der sekundären syntenischen Genaktivierung (minorZGA) aufzudecken. Diese epigenomischen Studien haben auch einzigartige Chromatinzustände in verschiedenen Phasen der embryonalen Entwicklung offenbart und bieten wertvolle Einblicke für weitere Forschungen zur menschlichen embryonalen Entwicklung und potenziellen klinischen Implikationen.

Während diese Fortschritte wesentliche Aspekte der frühen embryonalen Entwicklung aufgedeckt haben, bleiben dennoch Fragen unbeantwortet. Forscher versuchen, Schlüsselfaktoren zu identifizieren, die für die Regulierung von Veränderungen in den Chromatinzuständen verantwortlich sind, und die Rolle von Transposons in diesem komplexen Prozess zu erforschen.

Entschlüsselung der Organentwicklung mit ChIP-seq und ATAC-seq

Die Sequenzierungstechnologien des Epigenoms sind unverzichtbare Werkzeuge zur Untersuchung von Entwicklungstrajektorien und zum Verständnis der Zellschicksalsbestimmung geworden. Die Nutzung von ChIP-seq und ATAC-seq auf Einzelzellebene ermöglicht eine umfassende Erforschung der Entwicklungsdynamik von Geweben und Organen. Besonders bemerkenswert ist, dass 2018 scATAC-seq eingesetzt wurde, um gruppierte Zellen in verschiedenen Stadien der Entwicklung des Vorderhirns von Mäusen zu analysieren, wobei wichtige Regulatoren aus offenem Chromatin abgeleitet wurden.

Durch die Integration von ChIP-seq, ATAC-seq und DNase-seq mit transkriptomischen Daten in Organoid-Modellen gewinnen Forscher wertvolle Einblicke in die Entwicklungsdynamik spezifischer Zellen, identifizieren essentielle transkriptionale Regulatoren und lokalisieren Zellcluster, die anfällig für Krankheiten sind. Dieser Multi-Omics-Ansatz, der Einzelzell-Transkriptom- und ATAC-seq-Daten in der Organentwicklung kombiniert, legt eine robuste Grundlage für die klinische Krankheitsbehandlung. Zum Beispiel hat das tiefgehende Verständnis von Schlüsselzeitpunkten und genregulatorischen Netzwerken in der menschlichen hippocampalen Entwicklung entscheidende Informationen über Zellpopulationen geliefert, die mit der Pathologie von Parkinson-, Alzheimer- und Huntington-Krankheiten verbunden sind.

Zukünftige Anwendungen der Einzelzell-Epigenomik. (Ma et al., 2020)

Neben neurobiologischen Untersuchungen haben auch Analysen der Chromatindynamik die Muskelentwicklung, die Entwicklung der Brustdrüse und das Schicksal von Vorläuferzellen des Herzens aufgezeigt. Detaillierte Studien zur Chromatindynamik einzelner Zellen ebnen den Weg für umfassende Modelle der menschlichen Organentwicklung und ermöglichen es Forschern, den embryonalen Ursprung jedes Gewebes und Organs effektiv nachzuvollziehen.

Die Komplexität von Krebs durch ChIP-seq und ATAC-seq enthüllen

Unser aktuelles Verständnis von hochheterogenen Tumorgeweben bleibt begrenzt und umfasst Variationen im Tumormikroumfeld, Unterschiede zwischen primitiven Primärtumoren und Metastasen sowie die Evolution von Tumorsubklonen. Entscheidend ist, dass Immunzellen im Tumormikroumfeld eine bedeutende Rolle bei der Immunflucht und der Infiltration von Krebszellen spielen. Das Aufkommen von Einzelzell-ATAC-seq (scATAC-seq) und dessen Anwendungen bieten einen vielversprechenden Ansatz, um die epigenetische Heterogenität, die das Tumorwachstum antreibt, zu entschlüsseln und potenzielle therapeutische Ziele zu identifizieren.

Durch die Anwendung von scATAC-seq haben Forscher regulatorische Netzwerke identifiziert, die das maligne Stroma und die Immunzellen im Tumormikroumfeld steuern. Eine eingehende Untersuchung der Entwicklungsdynamik einzelner Immunzellen hat Vergleiche der T-Zell-Depletion im Tumormikroumfeld vor und nach der Immuntherapie ermöglicht. Infolgedessen wurden wichtige regulatorische T-Zell-Populationen identifiziert, die auf die Immuntherapie ansprechen, was personalisierte Behandlungsstrategien erleichtert.

Die Integration von ChIP-seq, ATAC-seq und DNA-Mutationsprofilen innerhalb derselben Zellen ermöglicht es Wissenschaftlern, neuartige Subklone von Krebszellen zu entdecken, die für maßgeschneiderte klinische Studien geeignet sind. Daher birgt das Verständnis der Chromatinregulationsmuster auf Einzelzellebene das Potenzial, bedeutende biomedizinische Fortschritte in der Krebsbehandlung voranzutreiben.

Darüber hinaus bietet die erweiterte Technologie von ATAC-seq, einschließlich ATAC-see, neue Einblicke in die Tumorheterogenität. ATAC-see ermöglicht die In-situ-Bildgebung von offenem Chromatin durch fluoreszierende Markierung offener Motive und liefert physische Beweise für die Ko-Lokalisierung von extrachromosomalem DNA (ecDNA) und ATAC-see-Signalen. Unterstützt durch ATAC-seq- und MNase-seq-Daten hebt diese Entdeckung die hohe Zugänglichkeit von ecDNA hervor und erklärt die reichhaltige Expression von Onkogenen, die sich auf ecDNA befinden.

Insgesamt birgt die Nutzung der Anpassungsfähigkeit von ChIP-seq- und ATAC-seq-Technologien großes Potenzial, um gezielte Therapien zu ermöglichen und physische Beweise zur Visualisierung der Krebsheterogenität zu liefern. Diese Fortschritte werden umfassende und zuverlässige wissenschaftliche Entdeckungen im Kampf gegen Krebs fördern.

Referenz:

1. Ma, Shaoqian und Yongyou Zhang. "Profilierung der chromatinregulatorischen Landschaft: Einblicke in die Entwicklung von ChIP-seq und ATAC-seq." Molekulare Biomedizin 1 (2020): 1-13.