从分子到性状，表观修饰组学怎么选？

基因和环境共同影响生物的性状。基因通过调控酶的合成活蛋白质的结构影响性状；环境通过影响表观遗传进而改变基因的表达和功能，最终影响性状表现。这其中最主要的表观遗传机制包括甲基化、组蛋白修饰、蛋白-DNA互作、染色质可及性与结构，它们共同影响基因表达、基因组调节和基因组稳定性。

图1 真核生物细胞核内染色质结构[1]

1. ATAC-seq：研究染色质的开放性与调控元件

当研究细胞特定状态下全基因组范围内染色质的开放性，挖掘处于开放状态的序列信息，检测潜在的组蛋白修饰位点、转录因子或调控因子结合位点，预测潜在修饰或相关调控元件，进而阐述表观调控机制时，选ATAC-seq。

理由：DNA 复制与转录过程中，染色质结构打开，开放的染色质区域能够结合转录因子（TF）和调控元件，影响基因的表达。这种特性称为染色质的可及性/开放性(chromatin accessibility)。

2.CUT&Tag：原位研究DNA与蛋白质互作

已知特定组蛋白或转录因子，或自行设计标签分子，研究与其相互作用的DNA，或验证二者之间是否具有相互作用时，选CUT&Tag。

理由：CUT&Tag是蛋白质-DNA互作关系研究的新方法，与以往的ChIP-Seq等方法相比，CUT&Tag技术方法简便易行，信噪比高，重复性好，无需甲醛交联细胞起始量低，且有望将ChIP-Seq做到单细胞水平。CUT&Tag技术目前已广泛用于组蛋白、转录因子、反式作用因子等全基因组范围内的DNA-蛋白质互作研究中，对动植物常见模式物种以及细胞系具有普适性。

图2.1 CUT&Tag建库流程图

敲黑板：ATAC研究开放染色质中的某区域能够结合特定的组蛋白修饰或转录因子，为何不用CUT&Tag验证下是否它们能够真正与DNA相互作用呢？

举个例子：

The phosphatase PAC1 acts as a T cell suppressor and attenuates host antitumor immunity

技术手段：CUT&Tag，ATAC-seq， RNA-seq

研究背景：癌细胞通过抑制 T 细胞效应功能破坏免疫监视。阐明T细胞功能障碍的机制是癌症免疫治疗的核心。

研究内容及结论：文章通过数据分析、细胞模型和小鼠模型等实验发现磷酸酶 PAC1 的缺失增加了染色质开放性（ATAC-seq实验），影响 H3K27ac 修饰水平（ChIP-Seq实验），并且减弱了 CHD4 与 T 细胞效应子相关基因位点的结合功能（CUT&Tag实验）。进一步利用多组学联合分析，作者认为PAC1通过调节染色质开放性、组蛋白乙酰化修饰等表观印记，抑制T细胞的功能，减弱宿主细胞免疫监视功能，促进肿瘤免疫逃逸的作用机制。

图2.2 研究思路图

3. Hi-C: 研究染色质空间构象

DNA在真核生物中并不是裸露存在的，而是会形成复杂的高级结构和不同作用模式的区域。当ATAC测序结果显示染色质的可及性，但通过DNA-蛋白相互作用没有验证出直接相互作用时，可以从Hi-C下手，研究空间上的相互作用模式。

理由：Hi-C可通过，从基因调控网络和表观遗传网络来阐述生物体性状形成的相关机制。

图3.1 Hi-C技术原理

通过Hi-C，建立基因组折叠模型，研究染色体片段之间的相互作用，深入研究基因组的折叠和空间构象、转录调控机制、复杂生物学性状、信号传导通路和基因组的运行机制等一系列重要问题；结合多组学技术，例如RNA-Seq、ChIP-Seq等，从基因调控网络和表观遗传网络角度阐述生物体表型形成的相关机制。

举个例子：

H1 histones control the epigenetic landscape by local chromatin compaction

技术手段：Hi-C, ATAC-seq, CUT&Tag, ChIP-Seq, RNA-seq

研究背景：H1连接组蛋白是最丰富的染色质结合蛋白。体外实验表明，连接组蛋白(linker Histone)H1与染色质的关联决定了核小体的间距，并使核小体排列折叠成更紧凑的染色质结构。然而，组蛋白H1在细胞内的功能和重要性一直未被阐明。

研究结论：结合H1的作用机制，研究者解释了H1的缺失如何影响 B、T细胞的活力。同时，研究揭示的H1在染色质结构中和表观遗传中的功能，提示H1可能在发育和疾病进程中有重要作用。

图3.2 研究思路图

Tip:Hi-C多组学研究思路

结论：

在染色质微环境研究中，联合不同组学技术手段进行染色质微环境的调控研究已经成为研究者深入挖掘有价值的差异与变化的新方向。将ATAC-seq、CUT&Tag、Hi-C及转录组(RNA-seq)联合分析的多组学研究可以探究组蛋白标记调控和染色质开放性的一致相关性以及染色质空间构象的关系，探究转录因子调控转录起始的过程，以及完善染色质微环境调控基因表达的调控网络，将有助于更深入地挖掘有价值的差异与变化。

参考文献

[1] Ariel Gershman, et al. Epigenetic patterns in a complete human genome. Science, 2022.

[2] Willcockson M A , Healton S E , Weiss C N , et al. H1 histones control the epigenetic landscape by local chromatin compaction. Nature, 2020.

[3] Lu D , Liu L , Sun Y , et al. The phosphatase PAC1 acts as a T cell suppressor and attenuates host antitumor immunity. Nature Immunology, 2020.