什么是ATAC-seq？

       ATAC-seq全称Assay for Transposase Accessible Chromatin with high-throughputsequencing，即利用转座酶研究染色质可进入性的高通量测序技术。那么ATAC-seq有哪些用途？我们都知道真核生物的核DNA并不是裸露的，而是有蛋白质即组蛋白与之相结合。DNA被组蛋白一圈一圈得缠绕着，形成串珠式的结构。这样的结构还能够进一步折叠、浓聚，并在其他架构蛋白的辅助下，形成染色体（图1）。

图1.染色体的形成过程

进一步折叠、浓聚形成结构稳定的染色体，这样的意义在于，可将超长的DNA链，折叠成很小的结构，从而能够塞进微小的细胞核里。例如，人类的DNA链如果完整展开大概会有2米那么长。而经过这样的折叠，就变成了纳米至微米级染色体/质的结构了。

图2.染色体的折叠浓缩类比文件的压缩过程

但是DNA的复制，基因在发生转录的时候，是需要将DNA的高级结构解开的，形成裸露的DNA双链便于发生转录。类似于我们需要从zip文件中提取信息，首先需要解压缩（图2）。区别在于，这里的解压缩并不需要将整个zip全部打开，而我们的染色体只需要打开需要发生转录的一部分区段，即需要发生表达基因的区域即可。这部分打开的染色质，就叫开放染色质（open chromatin）。而打开的染色质，就允许一些调控蛋白（转录因子等）进入与之相结合（图3）。而染色质的这种特性，就叫做染色质的可进入性（chromatin accessibility）。

图3. 染色体的开放区段

我们如何去寻找开放的染色质区域呢？

   传统的实验方法主要是借助MNase-seq和DNaseI hypersensitivity assay。这两个实验的主要思路是相似的：在染色质开放时，此时DNA和组蛋白的浓聚程度会降低，有一部分DNA暴露出来。而一旦失去了蛋白质的保护，这部分DNA就可以被DNA酶（MNase或DNaseI）所切割。然后，我们再把切割完的DNA拿来测序，和已知的全基因组序列相比较，就能发现被切掉的是哪些东西？没有被切掉的地方又在哪里？就知道开放的染色质区域在哪里了。不过，这两个方法有明显的缺陷。即耗时费力、重复性差。2013年，美国Stanford大学的William Greenleaf教授研发了一种全新的方法，利用DNA转座酶结合高通量测序技术，来研究染色体的可进入性，即ATAC-seq（图4）。

图4. ATAC-seq的实验流程

       DNA转座，是一种把DNA序列从染色体的一个区域搬运到另外一个区域的现象，DNA转座酶可以实现这个过程。这种转座插入DNA片段，需要插入位点的染色质是开放的，否则就会被一大坨高级结构的染色质给卡住。那么，我们可以人为地，将携带已知DNA序列标签的转座复合物（即带着测序标签的转座酶），加入到细胞核中，再利用已知序列的标签进行PCR后测序，就知道哪些区域是开放染色质了。而这也就ATAC-seq的原理。

ATAC-seq有哪些优势？

       ATAC-seq出来的结果，和传统方法出来的结果具有很强的一致性，同时也和基于组蛋白修饰marker的ChIP-seq有较高的吻合程度。而相比起来，ATAC-seq的重复性，比MNase-seq和DNase-seq的更强（图6），操作起来也更加简单，而且只需要很少的细胞/组织量，同时出来的信号更加漂亮。目前已经是研究染色质开放性首选的技术方法。所以ATAC-seq是具有相当强大的数（gan）据(jin)挖(do)掘(it)机制！

图5. ATAC-seq相比较MNase-seq和DNase-seq检测信号更强

ATAC-seq文库构建流程

（1）收集细胞或组织，制备细胞悬液；

（2）加入含裂解液，裂解细胞膜，获得细胞核；

（3）加入Tn5转座酶，对处于开放状态的DNA进行酶切；

（4）回收酶切下来的DNA片段，进行二代建库测序。

图6.建库测序的过程

ATAC-seq应用

1）从机制研究的角度，阐述关心的生物通路，细胞反应，细胞表型和疾病是否与表观遗传学的调控相关。

2）快速的决定表观遗传修饰是否在研究者感兴趣的课题中起到一定作用（主要是通过比较疾病组和正常组的ATACseq的差异，从而推测表观遗传是否在疾病中起到一定作用）

“我感兴趣的生物学问题跟表观遗传调控有关系吗？我担心直接做ChIP-seq、DNA甲基化等表观实验看不到差异。”这时，不妨先做ATAC-seq，看开放染色质（open chromatin、transposase-accessible chromatin）是否有变化,做一个对表观遗传学调控是否参与了我感兴趣的生物学问题的基本判断。

3）通过ATACseq定义的open chromatin区域，再结合motif分析，识别哪种转录因子参与了基因表达调控（对于抗体质量不好的TF，尤其有效）“我要研究的是具体的生物学问题，研究某个基因的上下游调控机制，那些揭示基因组普遍规律的文章不适合我。”

ATAC-seq适合你，它能回答以下三个问题：

1. 找调控某一生物学过程的关键转录因子；

2. 找哪个转录因子调控了我感兴趣的基因；

3. 找我感兴趣的转录因子调控的靶基因。

4）此外，ATAC-seq与RNA-seq 联合分析,分析染色质开放状态与基因表达平的关系,  寻找关键调控元件通过对 ATAC+RNA-seq 的数据进行分析,可以获得如下结果:
1. 获得在特定时空下基因组中所有处于开放状态的序列,分析调控元件;
2. 分析染色质开放区域 motif,获得潜在与其结合的转录因子等调控蛋白;
3. 样本间差异开放区比较,结合转录组差异表达数据,寻找关键调控蛋白。