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文献解读:读取个人表观基因组用于监测疾病的可行性

摘要

当前表观基因组技术的一些限制排除了它们在许多实验和临床环境中的使用。在这里,我们描述了转座酶可访问染色质检测使用测序(ATAC-seq)-基于直接体外转座测序适配器到天然染色质-作为整合表观基因组分析的一种快速和敏感的方法。atac-seq使用简单的两步协议从500个细胞到50000个细胞捕获开放染色质位点,并揭示开放染色质基因组位置、DNA结合蛋白、单个核小体和具有核苷酸分辨率的调节区的高阶紧凑之间的相互作用。

研究结果

 

文献解读:读取个人表观基因组用于监测疾病的可行性
图1

图1:atac-seq是一种灵敏、准确的染色质开放状态探针。

(A)ATAC-SEQ反应示意图。装载有测序接头(红色和蓝色)的转座酶(绿色)仅插入开放染色质区域(灰色的核小体),并产生可被PCR扩增的测序文库片段。

(B)开放染色质分析全基因组方法的近似报告输入材料和样品制备时间要求。

(C)ATAC-seq与GM12878淋巴母细胞中显示高度一致性的位点上其他开放染色质分析的比较。较低的ATACseq轨道是从500个FACS排序的细胞中产生的。

文献解读:读取个人表观基因组用于监测疾病的可行性
图2

图2:atac-seq提供染色质压缩的全基因组信息。

(A)由GM12878核(红色)产生的ATAC-seq片段大小表示具有与核小体一致的空间频率的色度独立周期性,以及对于小于200bp的片段而言,与DNA螺旋间距一致的高频周期性。(插图)对数变换直方图显示6个核小体具有明显的周期性。

(B)先前定义的7类染色质状态的归一化读取富集。

文献解读:读取个人表观基因组用于监测疾病的可行性
图3

图3:atac-seq提供了关于核小体在调节区定位的全基因组信息。

(A)包含两个转录起始位点(Tsss)的示例性位点,显示无核小体读取轨迹、计算的核小体轨迹(方法)以及用于比较的DNase、MNase和H3K27ac、H3K4me3和H2A.Z轨迹。

(B)ATAC-seq(1.98亿对读数)和mNase-seq(来自REF 23的40亿个单端读数)显示用于所有活动的TS(n=64,836)的核小体信号,TS通过笼表达来分类。

(C)TSS富集为核小体游离片段,并显示与MNaseseq在−2,−1,+1,+2,+3和+4位置上看到的相核小体相似。

(D)TSS和远端位点中核小体相关与无核小体(NFR)碱基的相对分数(见方法)。

(E)DNA结合因子相对于可接近染色质内最近的核小体二聚体位置的分级聚类揭示了不同类别的DNA结合因子。与核小体密切相关的因子富集为染色质改良剂。

文献解读:读取个人表观基因组用于监测疾病的可行性
图4

图4:atac-seq测定全基因组因子占有率。

(A)在ATAC-seq和DNase-seq数据中观察到的在ChR1上特定位点的CTCF足迹。

(B)通过基因组内的结合位点生成的CTCF(示出的基序)的聚合ATAC-seq足迹(C)CTCF预测的结合概率从ATAC-seq数据、CTCF基序的位置权重矩阵(PWM)得分和进化保守(PhyloP)推断。最右边的列是此GM12878细胞系的CTCF chip-seq数据(ENCODE),显示与预测的结合概率高度一致。

 

文献解读:读取个人表观基因组用于监测疾病的可行性
图5

图5:atac-seq实现实时个人表观基因组学。

(A)标准抽血的工作流程。

(B)三天内来自先证者T细胞的串行ATAC-seq数据。

(C)应用ATAC-SEQ数据(绿色跟踪)对候选TF药物靶标进行优先排序的示例。在已鉴定的可被FDA批准的药物靶向的细胞因子基因IL2附近的TF结合位点中,只有NFAT参与先证者T细胞。通过与公布的NFAT CHIP-SEQ数据(蓝轨,来自REF 35的数据)对齐来确认ATAC-SEQ足迹预测。

(D)先证者T细胞与GM12878 B细胞系的细胞类型特异性调控网络。每一行或每列是TF与相同单元类型中的所有其他TF的封装外形轮廓。颜色表示T细胞与B细胞的相对相似性(黄色)或显着性(蓝色)。NFAT是一种高度差异调节的TF(红框),而CTCF结合在T细胞和B细胞中本质上是相似的。

结论

我们发现了一些严格避免、可以耐受或倾向于与核小体重叠的DNA结合因子。使用ATAC-seq,我们通过标准血样测量并解释了先证者的静息人T细胞的连续每日表观基因组,证明了在临床时间尺度中读取个人表观基因组用于监测健康和疾病的可行性。

DOI:10.1038/nmeth.2688

参考文献

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