在基因组开放性研究中，目前最强大最主流的技术是ATAC-seq。ATAC-seq（染色质易开放区域测序）是利用Tn5转座子酶对基因组的染色质进行切割并引入测序接头，然后构建文库，对基因组上的开放染色质进行测序的一种技术。
ATAC-seq将表观研究的本质聚焦到染色质的易接近性变化，是联系复杂表观/转录调控与转录组变化的关键点，可将表观遗传研究化繁为简。目前，ATAC-seq是表观研究的最新手段和高分文章的利器，文章数量以每年翻一倍的速度快速增长。在下文，我们会继续介绍ATAC-seq技术的原理。
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在看完促销信息，也许你会好奇ATAC-seq到底基于什么样的原理，来实现基因组开放区的检测。
首先，我们来看看进行基因组可接近性研究的方法都有哪些。所有检测基因组开放区的方法，都是介于CHIP-seq和重测序之间的方法。这些方法的共同特点是：利用一定的方法，将与基因组开放区相关的DNA片段富集下来，然后利用芯片杂交或测序的方法，来检测基因组开放区的位置并研究其特性。
一些富集方法的发明要早于二代测序技术，但直到与二代测序结合，才如虎添翼。图1a罗列了各个基于二代测序的基因组开放性检测方法代表性文章出现的时间。
考虑到发大文章需要时间，所以MNase-seq，DNAse-seq，FAIRE-seq基本是二代测序刚刚出现，大家就迫不及待地尝试了。而最新的技术ATAC-seq直到2013年才出现，而它相比其他技术，有自己独特的优势。下面我们逐一介绍这4种常见的技术。
图1 几种常见的基因组可接近性检测的方法出现时间和效果示意图
微球菌核酸酶（microccocal nuclease，MNase）是一种同时具有内切和外切酶活性的核酸酶。因为兼顾具有内外切酶的活性，MNase会逐渐一点一点咬下任何“裸露”的DNA，除非DNA被核小体或其他蛋白结合而得到保护。
即MNase只降解核小体连接区和开放区的DNA，而被蛋白保护的DNA不被降解。利用这一特性，只要将甲醛固定后的染色质用MNase进行酶切处理，然后富集剩余的DNA片段, 这些DNA区域就是核小体包裹或者被转录因子绑定的区域(图1b)。
从图1b可以看出，MNase-seq主要用于研究核小体位置的技术，开放区的信号本身是缺失的（因为开放区的DNA已经被完全降解而无法检测）。所以，MNase-seq只能间接检测染色质开放区，并非基因组开放区检测的最优技术。
DNA酶I（DNase I）是我们熟悉的一种核酸内切酶。同样的，DNase I无法酶切被核小体或其他蛋白保护的DNA片段，而且DNase I优先切割染色质中的开放区。所以染色质开放区通常也是DNase I超敏感位点（DNase I hypersensitive site，DHS）。
因为是核酸内切酶，只要酶切条件控制得当，DNase I不至将开放区的DNA完全切成单碱基状态，而是只是将开放区的DNA酶切为片段，为后续的测序提供了可能。
简单说来，DNase-seq就是利用DNase I优先切割染色质中开放区的特性，富集被切割下来的DNA片段进行测序，从而实现对基因组的开放区的检测（图1b）。该技术出现比较早，所以在人类ENCODE计划中大量使用。
但该技术对细胞起始量的要求较高，一般细胞数量要达到1~10 Millions，实验复杂（包括精确的细胞定量，酶浓度的控制等），并且实验准备时间较长，需要2-3天。
FAIRE-seq与DNase效果相似，但实验更简单。其大概实验过程是，在甲醛固定核小体-DNA的结合关系后，用超声波破碎染色质，并用有机溶剂酚-氯仿抽提。酚氯仿抽提DNA后会使溶液分层，上层为水相，含有DNA（主要为裸露的DNA）；中间为蛋白（包含核小体-DNA复合物）。只要富集水相的DNA并进行测序，即可以获得开放区的信息。
该技术最大的不足：1）DNA片段大小不易控制，因此开放区检测精度较差；2）数据往往有较高的背景（非开放区DNA）噪音，导致数据可靠性下降。
ATAC-seq是最晚出现的技术，也是发展最为迅速的技术。ATAC-seq的全称是Assay for Transposase-Accessible Chromatin Sequencing。首先简要介绍一下转座子(Transposon)。
转座子在生物基因组中普遍存在，是可以不断自我移动并插入基因组新的位置的“跳跃元件”。转座子的移动，离不开其自身编码的转座酶的作用。转座酶基本作用机制：可以随机结合并切割开放裸露的DNA，并在切割位点插入其自身携带的DNA序列。
利用转座酶的这一特性，基因工程人员可以让转座酶携带上二代测序接头。这样转座酶在切割基因组DNA时（相当于随机打断DNA），不但切断了DNA还自动加入了一段二代测序接头，从而减少了文库构建的一个步骤，降低了文库构建所需的样本起始量（图2a）。
同时，和其他核酸酶类似，在切割染色质DNA的时候，转座酶主要切割基因组开放的区域。而核小体致密排列的闭合染色质区，转座酶是无法切割的（图2b）。
转座酶酶切后，对酶切片段DNA进行富集，就实现了对基因组开放区DNA的获取。有一点不同的是，转座酶也可以切割染色质开放区附近的核小体间连接区的DNA，从而也可以得到核小体的印记信息。在这一点上说，ATAC-seq的结果与DNase-seq非常相似，同时具有部分MNase-seq的特性（图1b）。
图2 转座酶用于ATAC-seq的原理
那么ATAC-seq技术最大的优点是什么呢？有两点:
1
建库起始量低
因为ATAC-seq一步实现片段化基因组DNA和加入测序接头，大大降低了样本起始量要求。相比FAIRE-seq和DNase-seq的一百万细胞起始量要求，ATAC-seq仅仅需要500个甚至更低的细胞量即可满足建库，对于稀有样本的检测是很好的优势。
2
样本制备简单
相比其他技术需要进行复杂的样本准备（例如甲醛固定）和精确的酶浓度定量，ATAC-seq建库步骤更简单快捷，从而减少了长时间操作导致的样本不稳定。
当然，那怕是ATAC-seq也要经历复杂的细胞核提取过程，实验难度依然较大。因此ATAC-seq的数据依然比较宝贵，其依然是发高分文章的利器。
图3 三种基因组可接近性检测技术的建库要求比较
以上就是几种基因组可接近性技术的介绍和比较。应该说，理想条件下这几种技术可以得出相似的结果。所以在一些大文章中，为了证明自己的数据可靠，作者也会同时陈列几种技术检测的结果。
如下图，文章作者就是想呈现ATAC-seq和DNase-seq、FAIRE-seq的峰基本是一致的。同时，也可以看到，在500个细胞的条件下，ATAC-seq依然有非常优异的表现。
图4 几种基因组可接近性检测结果的比较（DOI:10.1038/NMETH.2688）
图5 谷歌学术检索“ATAC-seq”的文章数量
正因为ATAC-seq的这些优点，从2013年面世以来，ATAC-seq相关的文章以几乎每年增长一倍的数量快速增加。那么，ATAC-seq到底可以做哪些分析，如何吸引大家关注呢？请看我们后续的文章介绍ATAC-seq的文章应用思路。
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