ATAC-seq（Assay for Transposase Accessible Chromatin with high-throughput sequencing，染色質(zhì)易開放區(qū)域測序）是2013年由美國Stanford大學(xué)的William Greenleaf教授研發(fā)了一種全新的方法，利用DNA轉(zhuǎn)座酶結(jié)合高通量測序技術(shù)，來研究染色體的可進入性。ATAC-seq的原理是，染色質(zhì)易開放區(qū)域測序）利用Tn5轉(zhuǎn)座酶切割染色質(zhì)的開放區(qū)域，并加上測序引物進行高通量測序，通過生物信息分析鑒定轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點和核小體區(qū)域位置，從而為研究基因調(diào)控、DNA 印記等提供有效的方法。通過研究特定狀態(tài)下開放染色質(zhì)，可以在DNA水平研究基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。
傳統(tǒng)的尋找全基因組范圍內(nèi)開放的染色質(zhì)區(qū)域采用的方式包括ATAC-seq、MNase-seq和DNase-seq，F(xiàn)AIRE-seq、chip-seq等。10x Genomics Chromium Single Cell ATAC Solution（10X scATAC-seq）是10 X Genomics新推出單細胞表觀基因組學(xué)水平上揭示染色質(zhì)可接近性的研究策略。通過單細胞染色質(zhì)可接近性圖譜構(gòu)建，不僅能清晰了解染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，還可以繪制高分辨率轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為深入了解疾病的診斷和治療鋪平道路。
技術(shù)優(yōu)勢
可檢測單細胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域中的開放染色質(zhì)
每個通道可容納500-10000個細胞核
細胞核捕獲率高達65%
運用10x官方軟件和工具，可對單細胞基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進行精細化分析
代表性文章
Buenrostro J D , Corces M R , Lareau C A . Integrated Single-Cell Analysis Maps the Continuous Regulatory Landscape of Human Hematopoietic Differentiation.[J]. Cell, 2018.
案例展示
聯(lián)合不同單細胞分析技術(shù)繪制人類造血系統(tǒng)分化的連續(xù)調(diào)節(jié)譜
研究背景
造血分化 是從造血干細胞分化為具有不同功能的細胞過程，在成人中主要發(fā)生在骨髓，最終產(chǎn)生淋巴系細胞（B,T,NK cell）,髓系-粒系（monocyte, granulocyte），紅系（Ery,mega）等細胞類型，是研究干細胞分化、腫瘤免疫、血液疾病等的良好模型。造血分化過程是一個復(fù)雜、多階段的，受多種因子調(diào)控的過程，單細胞表觀基因組分析有助于解析造血干細胞轉(zhuǎn)錄和細胞命運異質(zhì)性的順式和反式調(diào)節(jié)機制。
研究思路
首先利用scATAC-seq數(shù)據(jù)從chromatin accessibility入手，分析造血分化過程染色質(zhì)開放狀態(tài)圖譜的異質(zhì)性；用ChromVAR R包預(yù)測TF的活動；采用多種聚類方法，如通過TF Z scores利用Hierarchical clustering 和t-SNE聚類，并采用了reference guided approach，基于bulk sample和算法對單細胞數(shù)據(jù)進行降維聚類分析；整合scRNA-seq 和scATAC-seq數(shù)據(jù)分析TF與chromatin accessibility，以及順式調(diào)控元件和鄰近基因的表達的相互關(guān)系。
研究結(jié)果
研究人員通過單細胞ATAC-Seq的研究策略，分析了10類已定義的人類造血系統(tǒng)分化細胞類型中染色質(zhì)可接近性的數(shù)據(jù)，構(gòu)建造血細胞分化中染色質(zhì)可接近性狀態(tài)的變化軌跡；并整合單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了轉(zhuǎn)錄因子動態(tài)調(diào)控軌跡。
從單細胞RNA-seq和ATAC-seq的整合分析提供了對人類造血功能的調(diào)節(jié)特征和動態(tài)的見解，在實驗或計算上整合多種單細胞數(shù)據(jù)類型的進一步改進將為發(fā)育或疾病細胞命運決策提供單細胞水平上的視角。期望未來的工作結(jié)合單細胞表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和譜系測量可以揭示對啟動調(diào)節(jié)多種細胞命運轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)因子的分子機制和時間順序的重要見解。
參考文獻
Buenrostro J D , Corces M R , Lareau C A . Integrated Single-Cell Analysis Maps the Continuous Regulatory Landscape of Human Hematopoietic Differentiation.[J]. Cell, 2018.
結(jié)果展示
1. 細胞聚類
Cell Ranger ATAC 利用每個細胞的peaks 信息，運行cluster mode 對這些細胞進行分群。經(jīng)tSNE 降維算法，得到細胞聚類的二維結(jié)果。
2. 數(shù)據(jù)可視化
10X genomics公司提供的專門的分析結(jié)果查看軟件-Loupe Cell Browser，該軟件是一個圖形界面的軟件，操作非常的方便。可以用于以下應(yīng)用：1.確定細胞類型: 使用可及性模式發(fā)現(xiàn)能夠區(qū)分不同細胞類型和功能組別的啟動子和轉(zhuǎn)錄因子motif；2.分析可及性差異: 使用ATAC Peak Viewer 定位具有假定調(diào)節(jié)功能的不同可訪問基因組區(qū)域的位置；3.發(fā)現(xiàn)顯著性特征: 創(chuàng)建自定義聚類并使用差異可及性分析工具精準識別數(shù)據(jù)中的細胞組別；4.共享數(shù)據(jù)結(jié)果: 保存感興趣的信息，導(dǎo)出數(shù)據(jù)表，并獲取單細胞ATAC數(shù)據(jù)的屏幕截圖。
