多组学研究方案|目标基因表达量为什么发生变化?不如考虑一下染色质开放性研究
2022.05.11

基因表达变化是由多种因素引起的,从染色质开放性层面,目标基因及其上下游调控基因位点的染色质开放性变化可能会导致转录因子等调控因子的结合位点改变,进而引发转录效率的改变;从基因组三维结构层面,基因表达量变化可能是由染色质上TAD边界改变、增强子等loop环结构的互作效应变化所导致的。此外,非编码RNA调控、启动子组蛋白修饰变化也是导致基因表达量变化的重要因素。


此次小编将带大家了解染色质开放性变化如何调控目标基因表达变化?如何着手开展一个RNA-seq + ATAC-seq的多组学研究课题?



ATAC-seq



目前研究染色质开放性变化的主流技术是ATAC-seq,它是通过转座酶切割对染色质开放性进行研究的高通量测序技术,由于其操作便捷和结果可靠,自2013年问世以来一直被广泛应用。


真核生物细胞核中染色质并不是完全裸露的,DNA缠绕在组蛋白上形成串珠式核小体结构,这样的结构进一步折叠形成染色体结构。


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图1 核小体折叠形成染色体结构


转录复合物如何与缠绕紧密的DNA结合开启转录呢?通常染色质开放的过程是通过组蛋白乙酰化修饰来实现的,染色质一旦打开,就允许一些转录调控蛋白与之相结合,而染色质的这种特性,就叫做染色质的可及性(chromatin accessibility)。


ATAC-seq利用DNA转座酶结合高通量测序技术来研究染色体的可及性。具体来说,Tn5转座酶可以切割染色质上的开放区域,并在切割下来的DNA序列两端加上构建二代测序文库所需的接头,将测序获得的序列信息与参考基因组进行比对,DNA片段覆盖丰度较高的区段即为染色质开放区。

 

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图2 ATAC-seq实验技术流程,Tn5转座酶对染色质开放区域进行切割并加上接头



RNA-seq+ATAC-seq可以解决什么问题



基因表达具有显著的时空特异性,在进行动态发育研究、逆境响应研究、刺激引发细胞损伤类疾病研究中,RNA-seq是描述转录调控变化的常见切入点,而ATAC-seq则是阐明转录调控变化原因的利器。


ATAC-seq不仅可以明确全局性染色质开放性景观和功能原件的开放性变化,也可以细化目标基因及其靶基因、上游调控基因的染色质开放性变化,深入解析基因表达变化的原因。




如何准备一个RNA-seq+ATAC-seq研究课题



研究目的




如果你的课题准备研究不同发育阶段的调控、逆境下的生物体响应机制、疾病的发展等涉及到基因选择性表达的课题,那么RNA-seq + ATAC-seq是一个不错的基础选项。



样本准备



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分析思路


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重要分析内容展示


通过RNA-seq明确不同发育阶段、处理 vs 对照等样本中差异表达的基因并明确其功能。


通过ATAC-seq明确差异开放的染色质区段,这些区段可能位于Gene body、转录因子结合位点、核小体缠绕位点等,在某种程度上调控目标基因的转录。


将RNA-seq和ATAC-seq结合,不仅可以明确全局差异表达基因与差异开放染色质区段的关联性,也可以针对目标候选基因进行重点挖掘,探究深层调控机理。


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转录组+ATAC-seq分析可以展示的结果如下:



01全局性关联



安诺优达目前已有转录组+ATAC-seq成熟的分析流程,对于全局性关联结果进行展示。


(1)RNA-seq 和 ATAC-seq 整体信号相关性


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(2)差异表达基因和差异染色质开放区段的联合展示


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(3)差异表达的基因和差异染色质开放基因区段、启动子区段等的联合展示

 

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02目标基因挖掘



基于已有研究结果,可以对某个目的基因的染色质开放性、基因表达在不同组间状态进行展示。


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图:来源于合作文章Chromatin accessibility of kidney tubular cells under stress reveals key transcription factor mediating acute and chronic kidney disease:通过散点图展示处理 & 对照组中差异开放染色质区段,通过箱线图展示目标基因的表达,通过peak峰图展示目标基因差异开放区段。