染色质调控区域的研究： 对CHIP-seq和ATAC-seq发展的深入思考

摘要
染色质调控区域在许多疾病过程和胚胎发育中起着关键作用。表观基因组测序技术，如染色质免疫共沉淀测序(CHIP-seq)和转座酶开放染色质高通量测序(ATAC-seq)，使我们能够通过检测特定的染色质状态及其相应的转录因子，在时间和空间维度上剖析细胞和组织的基因组调控格局。随着染色质免疫共沉淀芯片(CHIP-chip)技术的发展，大量的表观基因组分析技术已经出现，如CHIP-seq、DNase I超灵敏位点测序(DNase-seq)、ATAC-seq等。单细胞测序的出现使下一代测序发生了革命性的变化，在单细胞表观遗传学中的应用迅速丰富。表观基因组测序技术已经从低通量发展到高通量，从批量样本发展到单细胞范围，这对科学家从不同角度解读生命带来了前所未有的好处。本文在简要介绍表观基因组生物学背景知识的基础上，讨论了表观基因组测序技术，特别是ChIP-seq和ATAC-seq技术的发展及其在科学研究中的应用现状。最后，我们提出了未来应用和挑战的见解。

关键词*：染色质调控区域、表观基因组测序、单细胞、发育生物学*

介绍
DNA由组蛋白包裹着，组蛋白蛋白带有各种各样的修饰。组蛋白乙酰化是染色质修饰中最具特征性的修饰之一，与局部染色质结构的开放和转录激活相关(例如，H3K27ac与增强子相关)。与组蛋白乙酰化相比，组蛋白甲基化在功能和形式上都更加多样化。组蛋白甲基化包括H3K4me1、H3K4me3、H3K9me3、H3K36、H3K79等。赖氨酸的特异性甲基化可存在于不同功能的单甲基化、双甲基化或三甲基化。抑制性组蛋白甲基化，如H3K9me3，与凝集性和结构性异染色质高度相关。同时，活跃组蛋白甲基化，如H3K4me3，有助于激活转录。一些研究甚至揭示了一类兼具活性和抑制性的二价染色质，它显示出H3K4me3和H3K27me3的重叠模式。这种稳定基因的二价标签的发现是出乎意料的，也是非常重要的。例如，它可能是母体向受精卵转变过程中的一个关键里程碑，提供了关于“中间”状态的第一条线索。此外，二价染色质并不是胚胎干细胞所特有的，在其他类型的细胞中也有存在。在更复杂的情况下，在某些组织中充当启动子的元件可以在其他组织中充当增强剂，称为CRID(具有动态特征的顺式调节元件)，并且相同的调节元件可以同时具有启动子和增强子特征。

更多的组蛋白修饰还包括磷酸化、泛素化、苏莫化和ADP核糖化。目前对组蛋白修饰的探索仍然存在以下问题：
1.组蛋白表面的修饰通常是动态的：一些修饰可以在细胞受到刺激后的短短几分钟内被添加和去除，因此在特定条件下的给定时刻一组细胞中检测到的组蛋白修饰实际上仅部分代表了潜在的修饰类型。
2.用于检测组蛋白修饰的抗体对于许多表观遗传染色质测序技术是必不可少的：例如，在CHIP-seq中，需要对组蛋白和转录因子进行抗体特异性检测。
3.组蛋白修饰的异染色质形成和扩散机制以及组蛋白修饰的“记忆”和“消退”的研究还很少。
4.组蛋白密码的概念在许多情况下不能广泛用于准确描述和预测特定的生物学现象.
5.某些组蛋白修饰在某些基因组区域是活跃的。相反，在其他区域有抑制作用：例如，H3K9基因座的甲基化在启动子区域是抑制的，而在编码区是活跃的。

与单一的组蛋白修饰不同，染色质调控区域是对染色质生物学功能的更高水平的诠释，它结合了组蛋白修饰、转录因子结合和基因组元件的调控功能。著名的 Road-map Epigenomics Consortium领导了大规模的人类表观基因组研究，对调控元件的功能状态提供了详细和准确的描述和分类。此外，通过将这些染色质表观基因组状态与现有的全基因组甲基化信息和RNA测序(RNA-seq)的基因表达谱相结合，科学家可以从多维的角度解释特定组织的表观基因组现象。
许多染色质动力学研究除了需要获得组蛋白修饰和基因组调控元件的信息外，还需要正确理解转录因子和染色质之间的相互作用，这对于理解发育和疾病进展往往是必不可少的。一些与染色质调节区结合的转录因子需要特定的组蛋白修饰，而另一些转录因子则需要开放染色质和其他激活子的辅助。一些转录因子与调控区域的结合促进了其他转录因子的聚集。它可能促进染色质的打开，从而进一步影响转录因子的结合。对其相互作用机制的深入研究还很有限，最近的研究通过构建合成读写模块来探索表观遗传调控机制，这将有助于我们更好地理解表观遗传的基本原理。

标签：ATAC,seq,CHIP,组蛋白,测序,基因组,修饰,染色质
来源： https://blog.csdn.net/E_gene/article/details/112540752