染色質(zhì)可及性：探索基因調(diào)控的窗口

    細(xì)胞核的內(nèi)部是一個高頻動態(tài)的體系，大多數(shù)染色質(zhì)以直徑為30 nm染色質(zhì)纖維的形式存在。這是在核小體串珠結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上螺旋化而成的結(jié)構(gòu)形式。核小體在整個基因組上的分布是不均勻的。核小體結(jié)構(gòu)致密的區(qū)域，其與基因表達(dá)相關(guān)的結(jié)構(gòu)區(qū)域相對封閉，不利于轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控元件與之結(jié)合，從而導(dǎo)致基因沉默；而核小體分布較少的區(qū)域，允許轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件與這些區(qū)域的啟動子、增強(qiáng)子相互接近并結(jié)合，進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)（圖1）。因此，染色質(zhì)DNA在行使轉(zhuǎn)錄以及復(fù)制合成的功能過程中，蛋白質(zhì)需要脫離DNA，使其處于裸露狀態(tài)，即折疊結(jié)構(gòu)變成松散狀態(tài)時，這種裸露的DNA便于啟動轉(zhuǎn)錄以調(diào)控基因的表達(dá)。

這種允許啟動子、增強(qiáng)子、絕緣子、沉默子等順式調(diào)控元件和反式作用因子能夠與染色質(zhì)DNA物理接觸的程度就稱為染色質(zhì)可及性（Chromatin Accessibility），由核小體的占有率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及其他阻礙DNA結(jié)合的染色質(zhì)結(jié)合因子決定。簡而言之，染色質(zhì)可及性就是指染色質(zhì)的物理壓縮程度。這個過程類似于將一份壓縮文件（封閉染色質(zhì)）進(jìn)行解壓（開放染色質(zhì)）后才能看到具體的文件內(nèi)容。

圖1染色質(zhì)可及性的動態(tài)變化

     為了研究在不同的細(xì)胞生物進(jìn)程中染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其功能之間的關(guān)系，就需要對活躍的開放區(qū)域進(jìn)行分析。目前研究染色質(zhì)可及性的方法主要是將酶切法或物理化學(xué)方法與下一代測序技術(shù)結(jié)合，檢測染色質(zhì)開放或受保護(hù)的區(qū)域。常用的方法有脫氧核糖核酸酶I超敏位點(diǎn)測序（DNaseI hypersensitive site sequencing，DNase-seq）、微球菌核酸酶測序（micrococcal nuclease sequencing，MNase-seq）、甲醛輔助分離調(diào)控元件測序（formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements sequencing，F(xiàn)AIREseq）以及轉(zhuǎn)座酶可及性測序（assay for targeting accessible-chromatin with high-throughout sequencing，ATAC-seq）（圖2）。

圖2 檢測染色質(zhì)可及性和核小體定位的實(shí)驗(yàn)方法

MNase-seq

利用MNase消化核小體之間裸露的DNA區(qū)域，從染色質(zhì)中釋放出核小體，然后富集與核小體結(jié)合的DNA片段并測序。繪制核小體的位置圖譜，從而間接反應(yīng)出染色質(zhì)的可及性區(qū)域。

DNase-seq

利用核酸內(nèi)切酶DNase I對基因組DNA進(jìn)行非特異性的消化和切割，而與核小體結(jié)合的DNA序列不會被DNase I切割，正是因?yàn)檫@個特點(diǎn)，通過確定DNase I消化后留下的DNA片段，就能夠獲得開放染色質(zhì)的信息。

FAIRE-seq

基因組DNA通過交聯(lián)劑甲醛共價結(jié)合到染色質(zhì)蛋白質(zhì)上，利用超聲波將染色質(zhì)剪切成碎片，苯酚-氯仿抽取后，纏繞有DNA的核小體分布于兩相交界處，而無核小體的DNA則分布于水相中。對水相中的DNA進(jìn)行測序分析，就可以確定開放染色質(zhì)區(qū)域。

ATAC-seq

使用了一個預(yù)先裝載DNA接頭的Tn5轉(zhuǎn)座酶，旨在對基因組進(jìn)行酶切的同時標(biāo)記被剪切的DNA片段。由于空間位阻，大多數(shù)的DNA標(biāo)簽序列被整合到染色質(zhì)開放區(qū)域。是近年來分析全基因組染色質(zhì)可及性首選的技術(shù)方法。

以上4種方法中，除FAIRE-seq是使用超聲波物理破碎基因組DNA外，MNase-seq、DNase-seq和ATAC-seq都是基于不同的酶對DNA片段進(jìn)行切割；MNase-seq直接檢測與核小體結(jié)合的DNA序列，繪制出核小體占據(jù)圖，從而間接反映出染色質(zhì)的可及性區(qū)域，另外3種方法則直接檢測染色質(zhì)開放區(qū)域。每一種分析方法各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。這些方法通常反映了多個細(xì)胞的平均狀態(tài)，無法分析群體細(xì)胞之間出現(xiàn)的差異，為了解決這一問題，科學(xué)家們開發(fā)出了單細(xì)胞scDNase-seq、scMNase-seq和scATAC-seq分析技術(shù)。在同一單細(xì)胞上同時進(jìn)行多組學(xué)的聯(lián)合分析在疾病研究和理解基因組功能領(lǐng)域上具有廣闊的應(yīng)用前景。

       基因的表達(dá)調(diào)控可以通過改變?nèi)旧|(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或染色質(zhì)修飾來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)組蛋白和DNA之間的結(jié)合力增加時，染色質(zhì)濃縮成閉合構(gòu)象并阻止轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)入DNA，導(dǎo)致基因抑制。相反，當(dāng)組蛋白與DNA之間的結(jié)合力降低時，染色質(zhì)解聚形成“開放”構(gòu)象，使轉(zhuǎn)錄因子可接近DNA，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活。隨著組織形態(tài)和功能的發(fā)展，細(xì)胞的表觀遺傳狀態(tài)和基因表達(dá)譜發(fā)生動態(tài)變化，并隨著環(huán)境的變化而不斷變化，調(diào)節(jié)與形態(tài)發(fā)生和譜系指定相關(guān)的基因表達(dá)。染色質(zhì)這種動態(tài)的重塑變化與胚胎發(fā)育、細(xì)胞衰老、腫瘤 發(fā)生、免疫、細(xì)胞命運(yùn)決定過程密切相關(guān)。此外，染色質(zhì)的動態(tài)結(jié)構(gòu)還和人類健康有關(guān)。在全基因組層面對染色質(zhì)可及性有了全局的認(rèn)識后，就可以破譯基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的有效調(diào)控元件，為深入認(rèn)識疾病的致病機(jī)制提供新的思路。