单细胞 ATAC 技术介绍：解锁染色质调控的单细胞密码
单细胞 ATAC 技术介绍：解锁染色质调控的单细胞密码
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2026-10-14
在分子生物学的中心法则中，DNA序列是生命的蓝图，而基因表达的调控则是决定细胞命运的“开关”。传统的转录组测序（RNA-seq）虽然能告诉我们基因“正在表达什么”，却无法揭示“为什么表达”以及“调控指令来自哪里”。
这就引出了表观遗传学研究的核心——染色质可及性（Chromatin Accessibility）。
基因组DNA并非裸露存在，而是缠绕在组蛋白上形成致密的染色质结构。当基因需要表达时，特定的调控区域（如启动子、增强子）会变得“开放”，允许转录因子（TF）和调控蛋白结合。这种“开放”的区域即为染色质可及性区域。研究这些区域，就等于找到了基因表达的源头控制面板。
2013年，Buenrostro等人开发了ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high-throughput sequencing）。该技术利用高活性的Tn5转座酶，优先切割开放的染色质区域并加上测序接头。相比传统的DNase-seq或MNase-seq，ATAC-seq操作更简便、所需细胞量更少，且信噪比极高。
传统的ATAC-seq（Bulk ATAC-seq）通常使用成千上万个细胞作为输入，得到的是一群细胞的平均信号。然而，生物组织（如肿瘤、大脑）具有极高的异质性，群体信号往往会掩盖稀有细胞群（如干细胞、过渡态细胞）的关键调控特征。
因此，单细胞ATAC测序（scATAC-seq） 应运而生。它将ATAC-seq与单细胞分离技术结合，能够以单个细胞的分辨率，描绘每个细胞的染色质开放图谱，从而在复杂的组织中精准识别细胞类型，解析发育分化轨迹，以及发现疾病相关的特异性调控机制。
基于10x Genomics Chromium平台的单细胞ATAC解决方案是目前市场上主流的高通量技术。根据官方技术手册，其核心流程如下：
样本准备（Nuclei Isolation）：
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关键步骤：单细胞ATAC-seq分析的对象是细胞核。
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要求：需要制备高活性、无团聚、无碎片的单细胞核悬液。细胞膜必须被裂解，但核膜必须保持完整，以防止DNA泄漏。
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质控：使用台盼蓝染色或自动细胞计数仪精确计数，并调整浓度至推荐范围（如700-1200 nuclei/μL）。
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在冰上配置转座酶混合液（Transposition Mix）。
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将细胞核与转座酶混合，于37℃孵育30分钟。在此期间，Tn5转座酶会同时完成对开放染色质区域的片段化和测序接头的连接。
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利用微流控芯片（Chromium Next GEM Chip H），将单个细胞核、凝胶珠（Gel Bead）和反应试剂包裹成纳升级的油包水液滴（GEM）。
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凝胶珠携带约750,000种不同的10x Barcode，确保每个细胞核被唯一标记。
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破乳后，回收带有条形码的DNA片段。
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进行PCR扩增，加入样本Index，构建最终的测序文库。
测序（Sequencing）：
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推荐使用Illumina测序平台。
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测序读长设计通常为：Read 1 (50bp) + i7 Index (8bp) + i5 Index (16bp) + Read 2 (50bp)。
单细胞 ATAC-seq 凭借单细胞分辨率的染色质可及性解析能力，已广泛应用于发育生物学、肿瘤研究、免疫调控、神经科学、疾病标志物筛选等领域，结合 10x Genomics 单细胞多组学 ATAC + 基因表达技术，更能实现 “染色质开放 + 基因表达” 的联合解析，深度挖掘基因调控机制。
细胞异质性解析与稀有细胞鉴定
针对肿瘤、脑组织、骨髓等高度异质性样本，区分不同细胞亚型、癌旁 / 癌组织细胞、肿瘤干细胞等稀有细胞，绘制单细胞水平的染色质开放图谱，揭示不同细胞类型的独特调控特征。
细胞发育与分化轨迹重建
追踪胚胎发育、干细胞分化、免疫细胞成熟等过程中，染色质可及性的动态变化，识别驱动细胞命运决定的关键开放染色质区域、转录因子结合位点，解析分化的表观调控机制。
对比健康与疾病样本的单细胞染色质开放差异，定位疾病特异性开放染色质区域，筛选疾病诊断、预后的表观标志物，揭示疾病发生的表观遗传机制（如肿瘤染色质异常开放、神经疾病调控元件紊乱）。
在单细胞水平鉴定细胞特异性增强子、启动子、沉默子，解析转录因子与开放染色质的结合规律，构建细胞类型特异性的基因转录调控网络。
非编码区变异功能解析
人类疾病相关的遗传变异多位于非编码区，单细胞 ATAC-seq 可将非编码区变异与细胞特异性开放染色质关联，明确变异的功能靶细胞与调控机制。
10x Genomics 推出的单细胞 ATAC + 基因表达联合测序技术，在同一个单细胞中同时检测染色质可及性与 mRNA 表达水平，实现 “表观调控 + 转录输出” 的多维关联分析，突破单一组学局限，核心应用包括：
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染色质开放与基因表达的关联分析：验证开放染色质区域对靶基因表达的调控作用，明确增强子 - 基因的调控关系；
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细胞分型精度升级：结合染色质与转录组双维度数据，更精准区分细胞亚型、过渡态细胞；
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发育 / 分化机制深度解析：揭示染色质开放变化先于基因表达的 “预编程” 模式，解析细胞命运决定的时序调控；
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疾病调控机制全景解读：同时定位疾病相关的表观异常与转录异常，挖掘核心调控靶点。
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产品类别 |
产品名称 |
货号 |
规格 |
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细胞核分离 |
44011ES |
2T/10T |
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44012ES |
2T/10T |
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44014ES |
2T/10T |
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接头 |
17265ES |
24×2T/96×2T/384×2T |
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定量试剂 |
12645ES |
100T/500T |
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12642ES |
100T/500T |
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纯化磁珠 |
Hieff NGS® DNA selection Beads (Superior Ampure XP alternative)DNA纯化分选磁珠 |
12601ES |
1mL/5mL/60mL/450mL |
[1] Das, A., Saeki, K., Dell’Orso, S., Wang, X., Mansky, K. C., Stains, J., Ozato, K., Deng, H.-W., & Thumbigere-Math, V. (2025). Integrative single-cell RNA-seq and ATAC-seq identifies transcriptional and epigenetic blueprint guiding osteoclastogenic trajectory. Journal of Bone and Mineral Research, 40(10), 1127–1143. https://doi.org/10.1093/jbmr/zjaf084
[2] Baek, S., & Lee, I. (2020). Single-cell ATAC sequencing analysis: From data preprocessing to hypothesis generation. Computational and Structural Biotechnology Journal, 18, 1429–1439. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.06.012
[3] Ma, S., Zhang, B., LaFave, L., Earl, A. S., Chiang, Z., Hu, Y., Ding, J., Brack, A., Kartha, V. K., Tay, T., Law, T., Lareau, C., Hsu, Y.-C., Regev, A., & Buenrostro, J. D. (2020). Chromatin Potential Identified by Shared Single-Cell Profiling of RNA and Chromatin. Cell, 183(4), 1103–1116.e20. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.056
[4]Zhang, K., Hocker, J. D., Miller, M., Hou, X., Chiou, J., Poirion, O. B., Qiu, Y., Li, Y. E., Gaulton, K. J., Wang, A., Preissl, S., Ren, B., & (2021). A single-cell atlas of chromatin accessibility in the human genome. Cell, 184(24), 5985–6001.e19. https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.024
