ATAC-Seq – Eine Methode zur Untersuchung von offenem Chromatin

Eine Forschung zu Chromatin

In eukaryotischen Zellen erfolgt die DNA-Replikation des Chromatins und die Gen-Transkription, wenn die höherordentliche Struktur der DNA locker wird. Eine solche Struktur wird als offenes Chromatin bezeichnet, das ausreichend Platz bietet, um mit regulatorischen Proteinen (wie Transkriptionsfaktoren und Kofaktoren) zu binden. Die Transkriptionsregulation kann auf DNA-Ebene besser verstanden werden, indem man offene Chromatinregionen in spezifischen Zellzuständen untersucht.

Was ist ATAC-Seq?

Der Assay für transposase-zugängliches Chromatin mit Hochdurchsatz-Sequenzierung, kurz ATAC-Seq, ist eine relativ neue Technologie, die 2013 eingeführt wurde. ATAC-Seq nutzt hyperaktive mutante Tn5-Transposase, die Sequenzierungsadapter in zugängliche DNA-Regionen einfügt, wodurch offene Chromatinsequenzen von dem gesamten Chromatin unterschieden werden können. Anschließend können durch Hochdurchsatz-Sequenzierung und bioinformatische Analysen genetische Informationen und andere relevante biologische Fragestellungen analysiert und erforscht werden.

Abbildung 1. Das grundlegende Prinzip von ATAC-Seq (Buenrostro 2015)

Im Vergleich zu traditionellen Methoden wie MNase-Seq und DNase-Seq hat ATAC-Seq erhebliche Vorteile, darunter eine einfachere Handhabung und höhere Reproduzierbarkeit. Und das Sequierungsergebnis kann hochgradig konsistent mit MNase-Seq, DNase-Seq und Chip-Seq sein. Gleichzeitig benötigt ATAC-Seq nur eine kleine Menge an Zellen/Gewebe und erzeugt bessere Signale. Es hat sich zu einer bevorzugten Methode zur Untersuchung der Epigenomik entwickelt, da es die genomische Lage des offenen Chromatins, die Interaktion von DNA-bindenden Proteinen und transkriptionale Bindungsstellen aufdecken kann.

Die Anwendungen von ATAC-Seq

Eukaryotische Zellen stellen Chromatin zusammen, indem sie genomische DNA und Histone in mehreren Ordnungen falten. Dieser Prozess spielt eine entscheidende Rolle bei der regulatorischen Kontrolle der Gen-Transkription. Die Zugänglichkeit des Chromatins ist die Voraussetzung für die Interaktion zwischen spezifischen trans-aktiven Faktoren und cis-regulierenden Elementen. Abnormale Genexpression oder Veränderungen in den chromatinregulatorischen Faktoren haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Zellphysiologie, was zur Entstehung und Entwicklung verschiedener Krankheiten führt.

ATAC-Seq wird mittlerweile weit verbreitet zur Identifizierung transkriptioneller regulatorischer Sequenzen eingesetzt. Und es kann in der Reprogrammierungsforschung für alle Arten von eukaryotischen Zellen verwendet werden. Im medizinischen Bereich kann es die Forschung zur Pathogenese schwerwiegender Krankheiten, zur Arzneimittelentwicklung, zu Wirkmechanismen (MOA) und zur Funktion von Biomarkern vorantreiben. ATAC-Seq kann ein vielseitiges Werkzeug in verschiedenen Studien sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:

• Kartierung von Chromatinzugänglichkeit-Stellen.
• Forschung zu epigenetischen Modifikationen bei Pflanzen, Embryonalentwicklung, Tumorentstehung, usw.
• Forschung zur transkriptionellen Aktivität in Bezug auf verschiedene Gewebe, Organe, Krankheiten, usw.
• Vorhersage potenzieller Krankheitsbiomarker.
• Die Funktionen von Transkriptionsfaktoren bei der Regulierung der Genexpression.
• Interpretation des Mechanismus der transkriptionalen Regulation und des genomweiten regulatorischen Netzwerks in Verbindung mit RNA-Seq.

Trotz der oben genannten Vorteile und breiten Anwendungen, die ATAC-Seq zu einem leistungsstarken Werkzeug in der epigenomischen Forschung machen, gibt es auch andere Aspekte, die man nicht vernachlässigen sollte. ATAC-Seq kann verwendet werden, um das genomweite offene Chromatin zu messen, um mögliche Proteinbindungsstellen zu erhalten, was im Allgemeinen für die Sequenzierung unbekannter Transkriptionsfaktoren oder das Screening spezifischer interessierender Regulatoren in Verbindung mit anderen Technologien verwendet wird. Darüber hinaus wird die Aktivität der Tn5-Transposase durch die Zusammensetzung der Reaktionslösung und die Reaktionsbedingungen beeinflusst, die für die Chromatinzerkleinerung optimiert werden müssen.

Referenz:

1. Buenrostro JD; et al. ATAC-seq: Eine Methode zur Untersuchung der Chromatinzugänglichkeit im gesamten Genom. Current Protocols in Molecular Biology. 2015, 109: 21.9.1-.9.9.(1).