在基因组学研究中，ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing）和RNA-seq（RNA sequencing）作为两种重要的高通量测序技术，逐渐成为研究基因表达调控的重要工具。将这两者结合进行联合分析，能够为研究者提供深入的基因调控机制和生物学功能的新见解。
ATAC-seq与RNA-seq的基本原理
ATAC-seq技术的核心在于测定染色质的可及性，通过转座酶切割开放的染色质区域，进而揭示哪些基因的调控区域是活跃的。RNA-seq以定量的方式捕捉细胞内基因表达的全貌。RNA-seq不仅可以揭示转录本的丰度，还能识别可变剪接、融合基因和新转录本等多样性的表达特征。
联合分析的优势
结合ATAC-seq与RNA-seq的数据分析，研究者能够从两个维度同时探索基因表达的调控机制。
识别调控元素：ATAC-seq可以揭示与特定基因表达相关的启动子、增强子及其他调控区域。通过分析这些开放的染色质区域，研究者能够找到重要的调控元件，这些元件可能直接影响相应基因的转录活性。
关联可及性与表达：将ATAC-seq的数据与RNA-seq结合分析，可以明确哪些染色质的可及性变化与基因表达水平相关。这种关联有助于发现新的调控机制，深入了解基因如何在不同环境或条件下进行调控。
应用实例
在实际应用中，ATAC-seq与RNA-seq联合分析已在多种研究领域显示出独特的价值。例如，在癌症研究中，研究者能够通过这种联合方法揭示肿瘤细胞中关键基因的调控网络，识别潜在的治疗靶点。同时，在发育生物学中，研究人员利用这一方法探讨了不同发育阶段细胞中基因表达的动态变化及其表观遗传机制。下面我们通过两篇文献来看下具体应用方式~
文献一：Disruption of Super-Enhancers in Activated Pancreatic Stellate Cells Facilitates Chemotherapy and Immunotherapy in Pancreatic Cancer
发表期刊：Advanced Science（IF=14.98）
发表时间：2024
研究技术：ChIP-seq、ATAC-seq和RNA-seq
研究材料：从PDAC组织分离原代a-PSCs细胞
相关主要结果
超级增强子（SEs）对a- PSCs的激活有重要作用为确定a-PSCs中的SEs景观，使用H3K27ac ChIP-seq和ATAC-seq联合分析，确定a-PSCs中SEs可潜在调控1121个基因，对其中几个代表性基因进行GO分析，结果显示这些基因主要富集与ECM组织相关的生物过程中，表明SEs可能有利于PSCs的激活。为进一步验证，进行了a-PSCs的ATAC-seq，结果发现ChIP-seq和ATAC-seq获得的SE图谱基本一致，证实ChIP-seq的可靠性。
为了测试a-PSCs中的SEs是否确实可以调节ECM组织相关基因的表达水平，用JQ1处理了分离的原代PSCs，JQ1是一种BET抑制剂，被证明可以破坏SE介导的转录调节。首先对JQ1处理的a-PSCs进行H3K27ac ChIP-seq和ATAC-seq分析，以确定JQ1是否可以直接改变这些细胞的SE谱和染色质可及性。这些分析显示，JQ1处理和未处理的a-PSCs在SE谱和染色质可及性方面没有显著差异，但RNA-seq分析揭示JQ1处理显著改变了a-PSCs中许多基因的表达水平，其中许多显著下调的基因在GO分析中富集到了与ECM相关的通路，这表明JQ1对与PSCs激活相关的基因有显著的抑制作用。此外，通过H3K27ac ChIP-seq和ATAC-seq鉴定的SE相关基因与RNA-seq鉴定的差异表达基因（DEGs）交叉，作者发现JQ1处理显著下调的SE相关基因主要富集了ECM产生和趋化因子分泌相关途径。
综上所述，这些数据表明SE介导的与ECM产生和趋化因子分泌相关基因的异常过表达对a-PSC的激活有重要作用。
图 超级增强子与参与a-psc活化的基因相关
文献二：Extracellular matrix stiffness controls cardiac valve myofibroblast activation through epigenetic remodeling
发表期刊：Bioengineering & Translational Medicine（IF=7.4）
发表时间：2022
研究技术：ATAC-seq和RNA-seq技术
研究材料：软水凝胶培养的静息瓣膜间质细胞（qvic）和硬水凝胶培养的肌成纤维细胞（aVICs）
相关主要结果
ATAC-seq和RNA-seq的整合分析鉴定了刚度诱导的瓣膜间质细胞（vic）激活的关键基因
主动脉瓣狭窄（Aortic valve stenosis， AVS）是一种进行性纤维化疾病，由瓣叶增厚和硬化引起。在细胞水平上，静息瓣膜间质细胞（qvic）被激活成肌成纤维细胞（aVICs），并持续存在于瓣膜组织中。为了研究肌成纤维细胞激活过程中发生的变化，研究者使用水凝胶基质再现纤维化过程中瓣膜小叶的不同刚度。比较了代表原生表型和病变表型的软水凝胶培养的qvic和硬水凝胶培养的aVICs的染色质景观。
通过转座酶可及染色质测序（ATAC-Seq）分析，发现与qvic相比，aVICs中开放的染色质区域富含与机械传感途径相关的转录因子结合基序。联合分析发现在硬水凝胶样品的RNA-seq和ATAC-seq数据集之间鉴定出21个基因重叠，在软水凝胶培养的样品中鉴定出14个基因重叠。当对来自硬水凝胶样品的重叠基因集进行GO富集分析，发现富集到了“肌动球蛋白结构组织”和“含胶原的细胞外基质”等通路。相比之下，软水凝胶的样品中重叠的基因在“细胞-细胞连接组装”和“磷脂结合”等通路中被富集。
为了研究ATAC-seq和RNA-seq数据集中重叠的单个基因与VIC肌成纤维细胞表型的相关性，分析了每个基因与纤维化基因set34的功能关联强度。发现在硬水凝胶样本中与纤维化相关的基因比在软凝胶样本中发现的多，如肌动蛋白α 2、平滑肌（ACTA2）和纤溶酶原激活物抑制剂1 （SERPINE1），这表明qvic可能通过表观遗传机制免受肌成纤维细胞激活的影响。
图 静息瓣膜间质细胞（qvic）和激活到肌成纤维细胞（aVICs）的ATAC-seq和RNA-seq的整合分析
未来展望
随着技术的发展和数据分析工具的不断完善，ATAC-seq与RNA-seq的联合分析已经逐渐成为生物学研究中的一种重要策略。未来，利用这种综合性的方法，我们将更深入地理解基因调控网络，在疾病机制、药物开发和个体化医疗等领域开创新的研究方向。
综上所述，ATAC-seq与RNA-seq的联合分析为基因表达调控的研究提供了强有力的工具和新的视角。通过结合遗传和表观遗传的信息，研究者可以在分子水平上揭示细胞命运的奥秘，为生物医学研究提供重要的基础。
参考文献：
[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.