ATAC-seq技术原理及在植物器官发育中的应用
2025-08-01 来源:本站 点击次数:23什么是ATAC-seq？
染色质开放性测序（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing，ATAC-seq），一种用于检测染色质开放性的高通量测序技术，通过Tn5转座酶切割并标记开放的染色质区域，从而揭示基因组中调控元件（如增强子、启动子）的位置和活性。
技术原理
在真核生物中，DNA并不是裸露存在的，而是与组蛋白等结合形成染色质。染色质的结构状态会影响基因的表达，那些处于开放状态的染色质区域，更容易与转录因子等蛋白结合，进而启动基因的转录过程。ATAC-seq利用Tn5转座酶识别并切割染色质中开放区域的DNA，切割后的DNA片段直接用于文库构建和测序。测序结果通过生物信息学分析，可以确定基因组中开放染色质区域的位置和特征。
染色质开放性测序（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing，ATAC-seq），一种用于检测染色质开放性的高通量测序技术，通过Tn5转座酶切割并标记开放的染色质区域，从而揭示基因组中调控元件（如增强子、启动子）的位置和活性。
技术原理
在真核生物中，DNA并不是裸露存在的，而是与组蛋白等结合形成染色质。染色质的结构状态会影响基因的表达，那些处于开放状态的染色质区域，更容易与转录因子等蛋白结合，进而启动基因的转录过程。ATAC-seq利用Tn5转座酶识别并切割染色质中开放区域的DNA，切割后的DNA片段直接用于文库构建和测序。测序结果通过生物信息学分析，可以确定基因组中开放染色质区域的位置和特征。
植物的生长发育是一个高度复杂且精密调控的过程，从种子萌发到器官形成，从开花结果到衰老凋亡，每一个阶段都涉及海量基因的时空特异性表达。而这些基因的表达模式，很大程度上受到染色质结构状态的调控——开放的染色质区域为转录因子等调控蛋白提供了结合位点，进而启动或抑制基因转录，最终影响器官的形态建成与功能实现。
ATAC-seq凭借其对染色质开放区域的精准捕捉能力，打破了传统研究中仅依赖基因表达数据推测调控机制的局限。它像一把“分子钥匙”，能够直接解锁基因组中那些隐藏的调控密码：通过定位不同发育阶段、不同组织器官中的开放染色质区域（ACRs），研究者可以直观地观察到调控元件（如启动子、增强子）的活性变化，进而关联其与下游靶基因的表达联动关系。这种从“结构动态”到“功能效应”的研究思路，为揭示植物器官发育的深层调控网络提供了强有力的技术支撑。
在植物研究领域，ATAC-seq技术为解析器官发育的分子调控机制提供了全新视角。以下通过具体案例，进一步展示ATAC-seq在解析植物器官发育分子机制中的实际应用。
ATAC-seq在植物器官发育研究中的应用案例
案例1：ATAC-seq在苹果果实发育中糖酸积累调控机制研究中的应用
ATAC-seq凭借其对染色质开放区域的精准捕捉能力，打破了传统研究中仅依赖基因表达数据推测调控机制的局限。它像一把“分子钥匙”，能够直接解锁基因组中那些隐藏的调控密码：通过定位不同发育阶段、不同组织器官中的开放染色质区域（ACRs），研究者可以直观地观察到调控元件（如启动子、增强子）的活性变化，进而关联其与下游靶基因的表达联动关系。这种从“结构动态”到“功能效应”的研究思路，为揭示植物器官发育的深层调控网络提供了强有力的技术支撑。
在植物研究领域，ATAC-seq技术为解析器官发育的分子调控机制提供了全新视角。以下通过具体案例，进一步展示ATAC-seq在解析植物器官发育分子机制中的实际应用。
ATAC-seq在植物器官发育研究中的应用案例
案例1：ATAC-seq在苹果果实发育中糖酸积累调控机制研究中的应用
文章标题：Transcriptional landscape and dynamics involved in sugar and acid accumulation during apple fruit development
研究背景：
苹果是温带重要果树，果实品质（如风味）主要由可溶性糖和有机酸决定。尽管已知果实发育中糖酸动态变化（早期有机酸积累、后期淀粉降解为糖），但转录水平调控其积累的分子机制仍不明确。染色质可及性影响基因转录，而苹果果实发育中染色质可及性景观尚未阐明。
研究思路：
研究背景：
苹果是温带重要果树，果实品质（如风味）主要由可溶性糖和有机酸决定。尽管已知果实发育中糖酸动态变化（早期有机酸积累、后期淀粉降解为糖），但转录水平调控其积累的分子机制仍不明确。染色质可及性影响基因转录，而苹果果实发育中染色质可及性景观尚未阐明。
研究思路：
关键结果：
该研究通过ATAC-seq分析苹果成熟叶片及果实3个关键发育阶段，揭示染色质可及性的组织与发育特异性：叶片染色质开放区域（ACRs）约为果实的1.5倍，果实ACRs随成熟逐渐增加，且主要分布于启动子-转录起始位点区域。比较不同阶段发现，差异可及区域（DARs）变化幅度大于差异表达基因，整合后筛选出启动子可及性和表达量均增加的基因（PEIGs），富集于转录调控、碳水化合物代谢等通路。对DARs区域进行motif分析，发现362个果实富集motif，含29个果实特异性motif，涉及Dof、AP2/ERF等家族转录因子，其中5个Dof家族基因经验证可结合糖酸代谢相关基因启动子并调控其表达。同时证实糖酸代谢关键基因启动子区域可及性随成熟增加，与基因表达上调一致，受染色质开放状态及Dof家族转录因子协同调控。
该研究通过ATAC-seq分析苹果成熟叶片及果实3个关键发育阶段，揭示染色质可及性的组织与发育特异性：叶片染色质开放区域（ACRs）约为果实的1.5倍，果实ACRs随成熟逐渐增加，且主要分布于启动子-转录起始位点区域。比较不同阶段发现，差异可及区域（DARs）变化幅度大于差异表达基因，整合后筛选出启动子可及性和表达量均增加的基因（PEIGs），富集于转录调控、碳水化合物代谢等通路。对DARs区域进行motif分析，发现362个果实富集motif，含29个果实特异性motif，涉及Dof、AP2/ERF等家族转录因子，其中5个Dof家族基因经验证可结合糖酸代谢相关基因启动子并调控其表达。同时证实糖酸代谢关键基因启动子区域可及性随成熟增加，与基因表达上调一致，受染色质开放状态及Dof家族转录因子协同调控。
图1. 苹果叶片和果实发育阶段12个文库的ATAC-seq分析。
图2. 苹果果实3个发育阶段ATAC-seq与RNA-seq的关联分析。
图3. 苹果果实中糖和酸代谢相关基序的分析。
图2. 苹果果实3个发育阶段ATAC-seq与RNA-seq的关联分析。
图3. 苹果果实中糖和酸代谢相关基序的分析。
图4. 验证所选果实特异性转录因子与其候选靶基因在糖或酸积累中的相互作用。
案例2：ATAC-seq在葫芦科作物早期果实发育相关保守顺式调控元件研究中的应用
文章标题：Identification and functional characterization of conserved cis-regulatory elements responsible for early fruit development in cucurbit crops
研究背景：
顺式调控元件（CREs）通过调控基因表达影响表型，是作物改良的重要靶点。葫芦科作物（如黄瓜、西瓜等）从下位子房发育成果实，早期果实发育存在相似生物学过程（如细胞分裂向扩张的转变），但相关保守CREs尚未明确。
研究思路：
研究背景：
顺式调控元件（CREs）通过调控基因表达影响表型，是作物改良的重要靶点。葫芦科作物（如黄瓜、西瓜等）从下位子房发育成果实，早期果实发育存在相似生物学过程（如细胞分裂向扩张的转变），但相关保守CREs尚未明确。
研究思路：
关键结果：
该研究聚焦葫芦科作物早期果实，探究CREs在葫芦科早期果实发育中的作用、进化约束及特有CREs的存在。通过比较基因组学在6种葫芦科作物及5种外类群物种中鉴定出392,438个保守非编码序列（CNSs），其中82,756个为葫芦科特有。同时，通过ATAC-seq和RNA-seq联合分析，在6种葫芦科作物果实的2个组织、2个关键发育阶段（细胞分裂期和扩张期）定位了20,865至43,204个可及染色质区域（ACRs），这些区域与基因表达水平正相关，且存在组织和阶段特异性。通过整合分析，研究发现4,431个共线同源CNSs在6种作物中均与ACRs重叠，其中1,687个为葫芦科特有，推测这些序列通过调控757个相邻同源基因参与早期果实发育，并受强进化约束。CRISPR突变实验进一步验证，靶向NAC1和EXT-like基因附近的葫芦科特有CNSs后，基因表达模式显著改变，果实形状和细胞尺寸也发生明显变化，直接证明了这些CNSs的调控功能。综上，该研究不仅为葫芦科作物遗传改良提供了关键靶点，还揭示了CREs在植物发育和进化中的重要性，为深入理解保守调控元件的功能及机制奠定了基础。
该研究聚焦葫芦科作物早期果实，探究CREs在葫芦科早期果实发育中的作用、进化约束及特有CREs的存在。通过比较基因组学在6种葫芦科作物及5种外类群物种中鉴定出392,438个保守非编码序列（CNSs），其中82,756个为葫芦科特有。同时，通过ATAC-seq和RNA-seq联合分析，在6种葫芦科作物果实的2个组织、2个关键发育阶段（细胞分裂期和扩张期）定位了20,865至43,204个可及染色质区域（ACRs），这些区域与基因表达水平正相关，且存在组织和阶段特异性。通过整合分析，研究发现4,431个共线同源CNSs在6种作物中均与ACRs重叠，其中1,687个为葫芦科特有，推测这些序列通过调控757个相邻同源基因参与早期果实发育，并受强进化约束。CRISPR突变实验进一步验证，靶向NAC1和EXT-like基因附近的葫芦科特有CNSs后，基因表达模式显著改变，果实形状和细胞尺寸也发生明显变化，直接证明了这些CNSs的调控功能。综上，该研究不仅为葫芦科作物遗传改良提供了关键靶点，还揭示了CREs在植物发育和进化中的重要性，为深入理解保守调控元件的功能及机制奠定了基础。
图1. 六种葫芦科作物中两个关键阶段的两种组织ACRs的鉴定与表征。
图2. 六种葫芦科作物中ACR的保守性。
图3. 与六种葫芦科植物中ACR重叠的1,687个葫芦科特异性CNS潜在靶基因特征分析。
图2. 六种葫芦科作物中ACR的保守性。
图3. 与六种葫芦科植物中ACR重叠的1,687个葫芦科特异性CNS潜在靶基因特征分析。
案例3：ATAC-seq在玉米叶片发育过程中染色质可及性研究中的应用
文章标题：Dynamic Chromatin Accessibility and Gene Expression Regulation During Maize Leaf Development
研究背景：
玉米是重要的粮食作物和模式生物，叶片作为光合作用主要器官，其发育直接影响产量；染色质可及性与基因转录调控密切相关，但在玉米叶片不同发育阶段的具体作用尚不明确。
研究思路：
研究背景：
玉米是重要的粮食作物和模式生物，叶片作为光合作用主要器官，其发育直接影响产量；染色质可及性与基因转录调控密切相关，但在玉米叶片不同发育阶段的具体作用尚不明确。
研究思路：
关键结果：
本研究旨在探究玉米叶片BBCH_11、BBCH_13、BBCH_17三个发育阶段中染色质可及性的动态变化及其对全基因组基因表达的影响，通过ATAC-seq（检测染色质可及性）和RNA-seq（分析基因表达）的整合分析，发现三个阶段分别鉴定出46,808、38,242、41,084个可及染色质区域（ACRs），且ACR的数量和强度显著影响基因表达水平；同时识别出与叶片发育相关的关键转录因子和潜在转录抑制因子，揭示了染色质可及性通过调控转录因子结合，在玉米叶片时空基因表达调控中起关键作用。
本研究旨在探究玉米叶片BBCH_11、BBCH_13、BBCH_17三个发育阶段中染色质可及性的动态变化及其对全基因组基因表达的影响，通过ATAC-seq（检测染色质可及性）和RNA-seq（分析基因表达）的整合分析，发现三个阶段分别鉴定出46,808、38,242、41,084个可及染色质区域（ACRs），且ACR的数量和强度显著影响基因表达水平；同时识别出与叶片发育相关的关键转录因子和潜在转录抑制因子，揭示了染色质可及性通过调控转录因子结合，在玉米叶片时空基因表达调控中起关键作用。
图1. 实验装置和ATAC-seq质量评估。
图2. 与ACRs相关的基因表达水平。
图3. ACR在叶片发育过程中呈现动态变化。
图4. 阶段特异性ACR相关基因的功能分析。
图5. 与差异峰强度（DPI）相关的基因的功能分析。
图6. 不同叶片发育阶段调控DNA元件的鉴定。
图2. 与ACRs相关的基因表达水平。
图3. ACR在叶片发育过程中呈现动态变化。
图4. 阶段特异性ACR相关基因的功能分析。
图5. 与差异峰强度（DPI）相关的基因的功能分析。
图6. 不同叶片发育阶段调控DNA元件的鉴定。
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