在基因組學研究中，ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing）和RNA-seq（RNA sequencing）作為兩種重要的高通量測序技術，逐漸成為研究基因表達調控的重要工具。將這兩者結合進行聯合分析，能夠為研究者提供深入的基因調控機制和生物學功能的新見解。
ATAC-seq與RNA-seq的基本原理
ATAC-seq技術的核心在於測定染色質的可及性，通過轉座酶切割開放的染色質區域，進而揭示哪些基因的調控區域是活躍的。RNA-seq以定量的方式捕捉細胞內基因表達的全貌。RNA-seq不僅可以揭示轉錄本的豐度，還能識別可變剪接、融合基因和新轉錄本等多樣性的表達特徵。
聯合分析的優勢
結合ATAC-seq與RNA-seq的數據分析，研究者能夠從兩個維度同時探索基因表達的調控機制。
識別調控元素：ATAC-seq可以揭示與特定基因表達相關的啟動子、增強子及其他調控區域。通過分析這些開放的染色質區域，研究者能夠找到重要的調控元件，這些元件可能直接影響相應基因的轉錄活性。
關聯可及性與表達：將ATAC-seq的數據與RNA-seq結合分析，可以明確哪些染色質的可及性變化與基因表達水平相關。這種關聯有助於發現新的調控機制，深入了解基因如何在不同環境或條件下進行調控。
應用實例
在實際應用中，ATAC-seq與RNA-seq聯合分析已在多種研究領域顯示出獨特的價值。例如，在癌症研究中，研究者能夠通過這種聯合方法揭示腫瘤細胞中關鍵基因的調控網絡，識別潛在的治療靶點。同時，在發育生物學中，研究人員利用這一方法探討了不同發育階段細胞中基因表達的動態變化及其表觀遺傳機制。下面我們通過兩篇文獻來看下具體應用方式~
文獻一：Disruption of Super-Enhancers in Activated Pancreatic Stellate Cells Facilitates Chemotherapy and Immunotherapy in Pancreatic Cancer
發表期刊：Advanced Science（IF=14.98）
發表時間：2024
研究技術：ChIP-seq、ATAC-seq和RNA-seq
研究材料：從PDAC組織分離原代a-PSCs細胞
相關主要結果
超級增強子（SEs）對a- PSCs的激活有重要作用為確定a-PSCs中的SEs景觀，使用H3K27ac ChIP-seq和ATAC-seq聯合分析，確定a-PSCs中SEs可潛在調控1121個基因，對其中幾個代表性基因進行GO分析，結果顯示這些基因主要富集與ECM組織相關的生物過程中，表明SEs可能有利於PSCs的激活。為進一步驗證，進行了a-PSCs的ATAC-seq，結果發現ChIP-seq和ATAC-seq獲得的SE圖譜基本一致，證實ChIP-seq的可靠性。
為了測試a-PSCs中的SEs是否確實可以調節ECM組織相關基因的表達水平，用JQ1處理了分離的原代PSCs，JQ1是一種BET抑制劑，被證明可以破壞SE介導的轉錄調節。首先對JQ1處理的a-PSCs進行H3K27ac ChIP-seq和ATAC-seq分析，以確定JQ1是否可以直接改變這些細胞的SE譜和染色質可及性。這些分析顯示，JQ1處理和未處理的a-PSCs在SE譜和染色質可及性方面沒有顯著差異，但RNA-seq分析揭示JQ1處理顯著改變了a-PSCs中許多基因的表達水平，其中許多顯著下調的基因在GO分析中富集到了與ECM相關的通路，這表明JQ1對與PSCs激活相關的基因有顯著的抑制作用。此外，通過H3K27ac ChIP-seq和ATAC-seq鑑定的SE相關基因與RNA-seq鑑定的差異表達基因（DEGs）交叉，作者發現JQ1處理顯著下調的SE相關基因主要富集了ECM產生和趨化因子分泌相關途徑。
綜上所述，這些數據表明SE介導的與ECM產生和趨化因子分泌相關基因的異常過表達對a-PSC的激活有重要作用。
圖 超級增強子與參與a-psc活化的基因相關
文獻二：Extracellular matrix stiffness controls cardiac valve myofibroblast activation through epigenetic remodeling
發表期刊：Bioengineering & Translational Medicine（IF=7.4）
發表時間：2022
研究技術：ATAC-seq和RNA-seq技術
研究材料：軟水凝膠培養的靜息瓣膜間質細胞（qvic）和硬水凝膠培養的肌成纖維細胞（aVICs）
相關主要結果
ATAC-seq和RNA-seq的整合分析鑑定了剛度誘導的瓣膜間質細胞（vic）激活的關鍵基因
主動脈瓣狹窄（Aortic valve stenosis， AVS）是一種進行性纖維化疾病，由瓣葉增厚和硬化引起。在細胞水平上，靜息瓣膜間質細胞（qvic）被激活成肌成纖維細胞（aVICs），並持續存在於瓣膜組織中。為了研究肌成纖維細胞激活過程中發生的變化，研究者使用水凝膠基質再現纖維化過程中瓣膜小葉的不同剛度。比較了代表原生表型和病變表型的軟水凝膠培養的qvic和硬水凝膠培養的aVICs的染色質景觀。
通過轉座酶可及染色質測序（ATAC-Seq）分析，發現與qvic相比，aVICs中開放的染色質區域富含與機械傳感途徑相關的轉錄因子結合基序。聯合分析發現在硬水凝膠樣品的RNA-seq和ATAC-seq數據集之間鑑定出21個基因重疊，在軟水凝膠培養的樣品中鑑定出14個基因重疊。當對來自硬水凝膠樣品的重疊基因集進行GO富集分析，發現富集到了「肌動球蛋白結構組織」和「含膠原的細胞外基質」等通路。相比之下，軟水凝膠的樣品中重疊的基因在「細胞-細胞連接組裝」和「磷脂結合」等通路中被富集。
為了研究ATAC-seq和RNA-seq數據集中重疊的單個基因與VIC肌成纖維細胞表型的相關性，分析了每個基因與纖維化基因set34的功能關聯強度。發現在硬水凝膠樣本中與纖維化相關的基因比在軟凝膠樣本中發現的多，如肌動蛋白α 2、平滑肌（ACTA2）和纖溶酶原激活物抑制劑1 （SERPINE1），這表明qvic可能通過表觀遺傳機制免受肌成纖維細胞激活的影響。
圖 靜息瓣膜間質細胞（qvic）和激活到肌成纖維細胞（aVICs）的ATAC-seq和RNA-seq的整合分析
未來展望
隨着技術的發展和數據分析工具的不斷完善，ATAC-seq與RNA-seq的聯合分析已經逐漸成為生物學研究中的一種重要策略。未來，利用這種綜合性的方法，我們將更深入地理解基因調控網絡，在疾病機制、藥物開發和個體化醫療等領域開創新的研究方向。
綜上所述，ATAC-seq與RNA-seq的聯合分析為基因表達調控的研究提供了強有力的工具和新的視角。通過結合遺傳和表觀遺傳的信息，研究者可以在分子水平上揭示細胞命運的奧秘，為生物醫學研究提供重要的基礎。
參考文獻：
[1] Wang Y, Chen K, Liu G, et al. Disruption of Super-Enhancers in Activated Pancreatic Stellate Cells Facilitates Chemotherapy and Immunotherapy in Pancreatic Cancer. Adv Sci (Weinh). 2024 Apr;11(16):e2308637. doi: 10.1002/advs.202308637.
[2] Walker CJ, Batan D, Bishop CT, et al. Extracellular matrix stiffness controls cardiac valve myofibroblast activation through epigenetic remodeling. Bioeng Transl Med. 2022 Aug 22;7(3):e10394. doi: 10.1002/btm2.10394.
