ATAC-seqとは

ATAC-seq

現在、ゲノムワイド解析として、オープンクロマチン領域、DNA結合タンパク質、個々のヌクレオソームおよびクロマチンエンリッチなゲノム位置間の相互作用を明らかにすることができます。
ゲノムワイド解析の手法には、FAIRE-seqやDNase-seqなどが知られており、細胞ごとの遺伝子発現状態を調べることが可能となっています。
しかし、これらの方法では初期サンプル量が数千から数百万の細胞を必要としたり、細胞集団の異質性を失ってしまったりと様々な欠点を生じます。加えて、クロマチンアクセシビリティやTF結合の相互作用を同時に調べることができません。
ATAC-seqは、これまでの技術よりも堅牢かつ敏感です。
この記事では、Nature Methods volume 10, pages 1213–1218 (2013)の内容をもとにATAC-seqについて解説していきます。

ATAC-seqの原理

ATAC-seqは、Assay for Transposase-Accessible Chromatin Sequencingの略称です。
ATAC-seqでは、タンパク質が結合していないDNA領域にトランスポソンが選択的に挿入されます。
このトランスポゾンには、あらかじめシーケンシングアダプターがタグ付けされているため、DNAにトランスポゾンが挿入されると、そのままシーケンス反応が起こります。
これにより目的の遺伝子領域のマッピングを行い、オープンクロマチン領域(転写がっ活性化されている領域)の位置や頻度を調べることができます。
実験スタート時の必要サンプル量は、500~50,000個程度で、実験の所要時間は半日以下と、これまでの技術と比較して非常にコンパクトです。

ATAC-seq挿入サイズはヌクレオソームの位置を示す

ATAC-seqのペアエンドリードシーケンスにより、ヌクレオソームのパッキングや位置に関する詳細な情報を得ることができます。
ペアエンドリードシーケンスとは、DNA断片の両端をシーケンスする方法で、クオリティの高いシーケンスデータを得ることができます。

ヌクレオソーム-TF間隔のパターンを明らかにする

ChIP-seqのデータとATAC-seqデータから得られた二分染色体の最も近いヌクレオソームに関する種々のDNA結合因子の位置をプロットし、教師なし学習でクラスタリングを行うと正確にヌクレオソームやDNA結合因子の位置とそれらの相互作用を明らかにすることができます。
論文で紹介された研究では、ATAC-seqによってGM12878細胞株(ヒトリンパ芽球細胞株)のアクセシブルなクロマチン内のヌクレオソームの位置を調べました。
この時、40億のシングルエンドリードを行ったMNase-seqはすべてのヌクレオソームを検定するのに対して、1億9800万検体のペアリードを行ったATAC-seqから生成されたリードは調節ヌクレオソームに集中していました。MNase-seqデータと比較して、ATAC-seqデータは目的とする推定調節領域内のヌクレオソームを検出するのにより適していると言えます。
これらの研究は、ATAC-seqがゲノムワイドな調節エレメント中のヌクレオソーム関連およびヌクレオソームフリー領域を高分解能で読取りできることを示唆しています。

ATAC-seqフットプリントは因子占有率をゲノムワイドな推定が可能

筆者らは、ATAC-seqフットプリントによる手法で因子占有率の推定が可能かどうか様々な実験を行いました。ATAC-seqを用いた結果は、ChIP-seqの結合データやDNaseによる因子占有推定を良好に再現しており、これらのATAC-seqデータから因子占有データを抽出し、規制ネットワークの再構築を可能にすることを示唆しました。

ATAC-seqは臨床応用が期待されています

ATAC-seqは、少数の細胞で迅速に豊富な情報を得ることができます。そのため、個人のエピゲノム解析を臨床応用可能なツールと言われています。
臨床応用が可能であることを示すために、健康人から得られた血液サンプルを用いてT細胞のエピゲノムのアッセイを行いました。採血から塩基配列決定までの所要時間は約275分でした。
次に、個々のエピゲノムに関する規制情報がどのように得られるかを示すためにIL2を例とし、ATAC-seqプロファイルを調べました。IL-2を標的とする薬(IL2エンハンサーに状況依存的に結合するTFの活性を阻害)が適応可能な患者にのみ処方を行うために、ATAC-seqによりTFの同定を行ったところ、活性化T細胞の各因子のみがIL-2に関与する事がわかりました。
このことから、ATAC-seqは、この個体のレギュレーションに関する臨床的に関連性のある情報を提供することが可能であると言えます。
さらにその後の研究では、ATAC-seqフットプリントを用いて、T細胞のTFの占有プロファイルを作成し、規制ネットワークの体系的な再構築を行いました。
このような臨床サンプルから詳細な個人化された遺伝子調節ネットワークの生成は後の診断に利用できる可能性があります。

まとめ

ATAC-seqは、挿入位置および転位反応中に捕捉された挿入物の長さの分布を考慮することにより、因子占有、調節部位におけるヌクレオソーム位置、およびクロマチンアクセシビリティをゲノムワイドに同時に測定が可能です。
ATAC-seqは、臨床応用はもちろんのこと、癌や自己免疫および神経精神障害を含むヒト疾患の進行および老化の進行中に選択された細胞亜集団を研究するためにも適用され得ることが期待されています。

参考論文

Nature Methods volume 10, pages 1213–1218 (2013)



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