表观组学
表观组学
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表观组学
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表观遗传学是一种不改变 DNA 序列，但遗传物质出现了可遗传的变化，从而导致可遗传的表型改变。通俗的说，在不改变细胞内 DNA 遗传信息的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了表型的变化，呈现出表现形式或功能的多样性。
特点：DNA序列不变、可逆、可遗传、动态变化
1.表观基因组：
染色质上包含了大量发生在DNA和组蛋白的化学修饰，这些修饰加上染色质的结构变化，提供了基因组序列之外的极其重要的信息。这些独立于基因组序列的修饰信息都属于表观基因组
（1）发生在DNA上的修饰：5mc，5hmc
（2）发生在组蛋白的修饰：H3K27me3，H3K4me3，H3K27ax
（3）染色质水平的改变：转录因子等DNA结合蛋白
2.表观转录组：
指RNA序列不发生改变的情况下，由RNA上的化学修饰调节基因表达的现象。胞内RNA的修饰超过100种，其中大部分的表观修饰发生在tRNA及其他非编码RNA上，发生在mRNA上的修饰无论是从种类上还是数量上都较少。下图展示了部分发生在真核生物mRNA上的化学修饰：
mRNA甲基化修饰示意图
表观组学测序技术在医学研究中的应用：
1、肿瘤发展与调控：比如对肿瘤早期、预后、药物疗效预测标志物的筛查；
2、基因表达调控：与生长调控、细胞分化相关，与侵袭性相关，与基因稳定性相关；
3、组蛋白修饰、转录因子相互作用。
表观组学的研究内容（括号内为技术手段）非常广泛，如DNA甲基化（WGBS）、RNA甲基化（MeRIP-seq/m6A-seq）、蛋白与DNA互作（ChIP-seq、CUT&Tag）、染色质可及性（ATAC-seq）等。
全基因组甲基化测序（Whole Genome BS-Seq，WGBS）是将重亚硫酸盐（Bisulfite）处理方法和Illumina高通量测序平台相结合，对有参考基因组信息的物种进行全基因组范围内的甲基化水平的测序，可以精确构建全基因组甲基化图谱。DNA甲基化对生命活动非常重要，是基因调控的手段之一（即通过对位于启动子及第一外显子区的CpG岛的甲基化而抑制基因的表达），是表观遗传学研究的热点。
MeRIP-seq/m6A-seq技术鉴定全基因组范围内具有m6A修饰的区域。其原理为通过特异识别m6A修饰的抗体，对细胞内具有m6A修饰的RNA片段进行免疫共沉淀。对沉淀下来的RNA片段进行高通量测序，结合生物信息学分析，即可在全基因组范围内对m6A修饰的状况进行系统研究。MeRIP-seq/m6A- seq是目前研究m6A修饰使用最广泛的技术之一。
MeRIP-seq技术流程
Chip-seq（Chromatin Immunoprecipitation and High-throughput sequencing）是将染色质免疫共沉淀和高通量测序相结合的技术。能够高效地在全基因组范围内检测与组蛋白、转录因子等互作的DNA区段。首先通过染色质免疫共沉淀技术(ChIP) 特异性地富集目的蛋白结合的DNA片段，并对其进行纯化与文库构建;然后对富集得到的DNA片段进行高通量测序。研究人员通过将获得的数百万条序列标签精确定位到基因组上，从而获得全基因组范围内与组蛋白、转录因子等互作的DNA区段信息。
Chip-seq技术原理示意图
CUT&Tag是“Cleavage Under Targets and Tagmentation”的缩写，是一种用来研究蛋白质-DNA互作关系，并确定目标蛋白质的DNA结合位点的方法，其技术目标和Chip-seq类似。通过针对靶蛋白(如转录因子、染色质重塑蛋白)的抗体和Protein A的介导，使得与Protein A融合的Tn5酶(Tagmentase)在切割DNA片段的同时在序列两端加上测序接头，经PCR扩增后形成可以直接用于高通量测序的文库。随后对文库进行测序分析，探究目的蛋白结合的DNA片段。
ChiTag是Protein A蛋白与Tn5转座酶的融合蛋白，当抗体结合目的蛋白(如转录因子、组蛋白等)后，Protein A蛋白可直接结合抗体，携带的Tn5转座酶可特异性的切割目的蛋白附近的DNA片段，并将DNA片段连.上接头，文库构建之后可进行高通量测序。
相对其他技术，CUT&Tag技术需要的样本量较少，并且其实验信噪比较高，背景较少。
CUT&Tag实验流程
ATAC-Seq是一种用于探究染色质开放区域的技术，该技术利用Tn5转座酶获得开放的染色质区段(open chromatin)，通过高通量测序及生物信息学分析来挖掘相关基因及调控信息，以此探究生物学相关问题。ATAC-seq由Buenrostro于2013年首次提出，作为MNase-seq，FAIRE-seq和DNAse-seq的替代或补充方法， 实验周期更快，应用更广泛。
ATAC-Seq技术原理示意图
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