染色質可及性：探索基因調控的窗口

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

這種允許啟動子、增強子、絕緣子、沉默子等順式調控元件和反式作用因子能夠與染色質DNA物理接觸的程度就稱為染色質可及性（Chromatin Accessibility），由核小體的占有率和拓撲結構以及其他阻礙DNA結合的染色質結合因子決定。簡而言之，染色質可及性就是指染色質的物理壓縮程度。這個過程類似于將一份壓縮文件（封閉染色質）進行解壓（開放染色質）后才能看到具體的文件內容。

圖1染色質可及性的動態(tài)變化

     為了研究在不同的細胞生物進程中染色質的結構與其功能之間的關系，就需要對活躍的開放區(qū)域進行分析。目前研究染色質可及性的方法主要是將酶切法或物理化學方法與下一代測序技術結合，檢測染色質開放或受保護的區(qū)域。常用的方法有脫氧核糖核酸酶I超敏位點測序（DNaseI hypersensitive site sequencing，DNase-seq）、微球菌核酸酶測序（micrococcal nuclease sequencing，MNase-seq）、甲醛輔助分離調控元件測序（formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements sequencing，FAIREseq）以及轉座酶可及性測序（assay for targeting accessible-chromatin with high-throughout sequencing，ATAC-seq）（圖2）。

圖2 檢測染色質可及性和核小體定位的實驗方法

MNase-seq

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

DNase-seq

利用核酸內切酶DNase I對基因組DNA進行非特異性的消化和切割，而與核小體結合的DNA序列不會被DNase I切割，正是因為這個特點，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的信息。

FAIRE-seq

基因組DNA通過交聯劑甲醛共價結合到染色質蛋白質上，利用超聲波將染色質剪切成碎片，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進行測序分析，就可以確定開放染色質區(qū)域。

ATAC-seq

使用了一個預先裝載DNA接頭的Tn5轉座酶，旨在對基因組進行酶切的同時標記被剪切的DNA片段。由于空間位阻，大多數的DNA標簽序列被整合到染色質開放區(qū)域。是近年來分析全基因組染色質可及性首選的技術方法。

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片段進行切割；MNase-seq直接檢測與核小體結合的DNA序列，繪制出核小體占據圖，從而間接反映出染色質的可及性區(qū)域，另外3種方法則直接檢測染色質開放區(qū)域。每一種分析方法各有其優(yōu)點和局限性。這些方法通常反映了多個細胞的平均狀態(tài)，無法分析群體細胞之間出現的差異，為了解決這一問題，科學家們開發(fā)出了單細胞scDNase-seq、scMNase-seq和scATAC-seq分析技術。在同一單細胞上同時進行多組學的聯合分析在疾病研究和理解基因組功能領域上具有廣闊的應用前景。

       基因的表達調控可以通過改變染色質的拓撲結構或染色質修飾來實現。當組蛋白和DNA之間的結合力增加時，染色質濃縮成閉合構象并阻止轉錄因子進入DNA，導致基因抑制。相反，當組蛋白與DNA之間的結合力降低時，染色質解聚形成“開放”構象，使轉錄因子可接近DNA，從而導致轉錄激活。隨著組織形態(tài)和功能的發(fā)展，細胞的表觀遺傳狀態(tài)和基因表達譜發(fā)生動態(tài)變化，并隨著環(huán)境的變化而不斷變化，調節(jié)與形態(tài)發(fā)生和譜系指定相關的基因表達。染色質這種動態(tài)的重塑變化與胚胎發(fā)育、細胞衰老、腫瘤 發(fā)生、免疫、細胞命運決定過程密切相關。此外，染色質的動態(tài)結構還和人類健康有關。在全基因組層面對染色質可及性有了全局的認識后，就可以破譯基因轉錄調控中的有效調控元件，為深入認識疾病的致病機制提供新的思路。