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Single-cell Chromatin Accessibility · scATAC-seq

单细胞染色质可及性测序

Tn5 转座酶标记开放染色质，BD Rhapsody™ 微孔在单核水平同步捕获 ATAC 片段与 mRNA——染色质开放图谱和基因表达在同一颗细胞核上对齐。RNA 看的是「已经发生的表达结果」，ATAC 看的是表达发生之前的调控准备状态；调控变化往往先于表达变化，机制研究正是从这里下手。

  • BD Rhapsody™
  • scATAC-seq
  • ATAC + WTA 同核双组学
  • 微孔捕获
  • 染色质开放性
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500–50k核/Lane通量灵活，Large Input 单 Cartridge 40 万+ 核
同核双组学ATAC 片段 + mRNA 同磁珠捕获，一次实验两个组学
TSS 35实测武汉瑞兴 PBMC ATAC+WTA Next 实测富集分数
3000+基因/核联合方案基因检出，线粒体 reads 降约 70%
01

技术简介

细胞通过一组交互式调节机制（DNA 甲基化、组蛋白修饰、转录因子活性等）控制基因表达，而染色质可及性在很大程度上反映了细胞的综合调控状态。染色质开放图谱与转录组一起，构成描述细胞身份的两层信息——探索可及性谱，能看到 scRNA-seq 捕捉不到的基因调控机制与分化过程。

scATAC-seq（single-cell Assay for Transposase-Accessible Chromatin with sequencing）利用 Tn5 转座酶优先进入开放染色质区域、在切割 DNA 的同时插入测序接头的特性，经高通量测序把片段定位回基因组，得到每个单细胞中染色质可及性的分布。相比传统 bulk ATAC-seq，scATAC-seq 能揭示不同细胞群体在增强子、启动子、转录因子结合位点等调控元件可及性上的异质性。本页介绍的方案基于 BD Rhapsody™ 单细胞平台：微孔（Microwell）技术路线，ATAC 与 WTA 文库分建，可选单核双组学同测。

ATAC-seq 原理示意：细胞核内染色质结构（核小体、组蛋白修饰与 DNA 修饰）、开放与紧闭染色质对基因表达的影响，以及 Tn5 转座酶在开放区域插入测序接头并扩增测序的流程
ATAC-seq 原理：染色质结构 → 开放 / 紧闭状态 → Tn5 标记开放区域并测序
02

技术优势

优势 1

微孔路线：同核 ATAC + WTA 双组学

细胞核完成 Tn5 标记后上机，BD Rhapsody™ 微孔单核分配，ATAC 片段与 mRNA 在同一颗磁珠上被同步捕获，分建 ATAC 与 WTA 文库——一次实验拿到同一颗细胞核的染色质开放与基因表达两类信息，省样本、无批次偏差。微孔不受液滴堵塞困扰，PBMC、肿瘤组织、脑组织等复杂样本都适用。

BD Rhapsody 单细胞 ATAC 工作流程三步图：样本制备与 Tn5 批量标记、微孔单核分选与裂解捕获（ATAC 片段与 mRNA 同磁珠）、ATAC 与 WTA 文库构建及测序
批量标记 → 微孔单核捕获 → ATAC + WTA 双文库
优势 2

可视化质控，实验成功率看得见

ATAC 项目对核状态、背景污染和捕获效率都十分敏感。BD Rhapsody™ 配套扫描监测能力，可实时查看细胞装载、磁珠落孔、单核占孔率与残余磁珠，把原本"黑盒"式的流程变成可判断、可评估、可优化的流程——样本珍贵、前处理难度高、周期紧张的项目尤其受益。

BD Rhapsody Xpress 系统与 Scanner 的可视化质控流程：从样本 QC、细胞捕获与双联体率、磁珠占孔率、裂解后磁珠状态到残余磁珠统计与扫描报告
每个关键步骤都有对应的 QC 观测点与扫描报告
优势 3

开放式体系，背景噪音更低

游离 DNA、核破裂产生的杂散片段是单核 ATAC 数据噪声的主要来源。BD Rhapsody™ 开放式微孔体系支持在实验中清洗游离 DNA，且 Tn5 标记后的细胞核直接上机、无需离心洗涤，减少细胞核丢失——背景更低、数据更干净。实测小鼠骨髓 TSS enrichment 达 26、小鼠脑组织达 23；ATAC+WTA 联合方案实现 3000+ genes/cell，线粒体 reads 降约 70%。

开放式微孔体系与液滴封闭体系对比：微孔系统可清洗游离 DNA 与游离抗体寡核苷酸，信号高噪声低；封闭液滴体系杂质残留、噪声高；Tn5 标记后的细胞核可直接上机无需离心洗涤
开放式微孔 vs 封闭液滴：清洗游离 DNA，降低背景提升灵敏度
03

实验流程

1

样本制备与核提取

单细胞核悬液制备，浓度与核质量质检（ATAC 对核完整性敏感）

2

Tn5 批量转座标记

混合细胞核原位 tagmentation（37 ℃ 30 min），接头插入开放染色质区域

3

微孔分选与捕获

BD Rhapsody 微孔单核分配，裂解后 ATAC 片段与 mRNA 同磁珠捕获

4

双组学文库构建

ATAC 文库（连接 → 补齐 → Index PCR）与 WTA 文库分开构建，可按需只做 ATAC

5

上机测序

文库质控合格后上机测序，ATAC 与 WTA 数据分文件输出

6

分析与报告

峰识别、降维聚类注释、motif / 转录因子活性分析，ATAC × RNA 联合解读

04

实测数据展示

数据 1

武汉瑞兴实验室 PBMC 实测：ATAC + WTA Next

片段长度分布呈典型核小体周期峰；TSS enrichment 35.16；转座位点入峰比例 69.03%、比对区片段入峰比例 71.56%；捕获 28,070 个候选细胞核，mRNA 中位 bioproducts/cell 726、ATAC 中位非重复片段/核 4,710——核提取、标记、捕获到建库全链条质量在线。

武汉瑞兴 PBMC 样本 ATAC+WTA Next 实测汇总：片段长度分布、TSS enrichment 曲线、ATAC 与 WTA 联合分型散点图、28,070 个候选细胞核 UMAP，以及 reads、bioproducts、peaks、TSS enrichment 等关键质控指标表
PBMC ATAC+WTA Next 实测：TSS enrichment 35.16，28,070 个候选细胞核
数据 2

核小体结合模式

核小体数 < 4 的单核小体片段在 <100 bp 处富集、> 4 组呈周期性峰——典型的"开放区片段短、缠绕区片段按核小体长度递增"模式，是 ATAC 文库质量过硬的第一信号。

PBMC 样本按核小体数分组的片段长度分布直方图：核小体数小于 4 的片段在小于 100 bp 处富集，核小体数大于 4 的片段在 200、400、600 bp 处呈周期性峰
片段长度呈核小体周期（约 200 bp 间隔），核小体模式清晰
数据 3

聚类与非线性降维可视化

基于可及性信号降维聚类（UMAP），各细胞簇界限清晰、簇间分离度好——单核分辨率下直接呈现群体结构，为后续簇特异调控分析打底。

两个 PBMC 样本的 UMAP 降维聚类图，按染色质可及性信号分为 10 余个细胞簇，各簇空间分布清晰
基于可及性信号的 UMAP 聚类：簇界限清晰
数据 4

Top3 Marker Peaks 小提琴图

每个细胞簇的 Top3 差异可及性位点以小提琴图展示：簇特异 open peak 在对应簇内高、其余簇内接近零，簇特异调控信号一眼可辨。

各细胞簇 Top3 差异可及性位点（染色体坐标标注）的小提琴图，簇特异 open peak 在对应簇内显著富集
簇特异 marker peaks：每个簇都有专属的开放位点
数据 5

CoveragePlot：峰 / 基因轨道联看

以 IL1B 位点为例，把各簇标准化信号、基因结构与 open peaks 放在同一条坐标轴上联看——直接判断哪个簇在这个位点开放、峰落在启动子还是远端增强子区。

IL1B 基因位点的 CoveragePlot：上轨为 11 个细胞簇在该区域的标准化 ATAC 信号，下轨为基因结构与 open peaks 位置
IL1B 位点：簇间可及性差异与峰位置一屏联看
数据 6

Motif 活性分析

对簇特异 open peaks 做 motif 富集与碱基偏好性分析：Smad2::Smad3、FOS、BATF::JUN 等转录因子 motif 在对应簇内活性显著升高，直接指向候选上游调控因子。

簇特异 open peaks 的 motif 分析结果：Smad2::Smad3、FOS、BATF::JUN、BATF 等 motif 在 UMAP 上的活性分布及其序列 logo
Motif 活性定位到簇：从开放位点反推上游转录因子
05

样本要求

样本类型建议送样量保存与运输
新鲜组织（抽核）推荐≥ 200 mg（穿刺样本建议 2 条以上；特殊组织见下方细则），取样避开坏死、钙化、硬化、纤维化部位PBS 或生理盐水洗去血液后，放入加满组织保存液（MACS Tissue Storage Solution，货号 130-100-008）的样本保存管中，完全浸没样本，封口膜密封，泡沫纸 / 棉花缠裹防震，禁止样本直接接触冰袋；当天送达实验室、当天处理。肿瘤、斑块、滑膜、心脏瓣膜等易坏死钙化组织建议先解离再提核（降低堵芯片风险，但解离不保证细胞比例）
冻存组织（抽核）≥ 200 mg修剪出目的组织、无菌纸吸干表面水分，液氮速冻后 −80 ℃ 保存，干冰运输，一个月内处理；所有冻存样本均需提 RNA 质检（RIN > 7），组织太小无法分两管质检时，上机风险由客户承担
细胞悬液（抽核）活细胞 10 万以上；浓度 700–1,200 个/μL、活性 > 90%、结团率 < 10%、有核率 > 70%、直径 5–40 μm新鲜悬液离心后用 1640 + 2% FBS 或 PBS + 2% FBS 重悬，湿冰运输，制备后 1–3 h 送达实验室、当天处理；冻存细胞干冰运输、复苏处理，一个月内处理
外周血 / PBMC人全血 4–6 mL（小鼠 ≥ 1 mL，其他物种 1–5 mL），紫头 EDTA 抗凝管冰袋（2–8 ℃）湿冰运输，24 h 内送达；默认提取 PBMC，48 h 内寄送仍可处理，骨髓组织运输同新鲜实体组织，冲出的骨髓细胞按悬液样本同血液寄送；24 h 后中性粒细胞偏高风险增加（关注粒细胞请提前沟通）
特殊组织送样量细则（常规 ≥ 200 mg 之外）
需加量组织正常肠 / 胃 > 300 mg；皮肤 / 黑色素瘤 > 300 mg；胆管胆囊 > 300 mg；生殖类 / 胎盘蜕膜 > 300 mg；脂肪 > 300 mg；动脉 / 静脉 / 血栓 / 心脏瓣膜 > 400 mg；硬骨 / 软骨、肌腱韧带 > 500 mg；牙龈 / 牙根髓 > 50 mg；眼科人 > 50 mg（小鼠每次 2 只 4 个组织）
建议抽核的组织脑（关注神经元）、心 / 肝（功能细胞较大）、心肌与肌肉、成熟脂肪等建议抽核送样；小鼠心 / 肝取样建议灌注去除组织间血液

*同时做 ATAC + WTA 不额外增加起始样本量。切勿使用多聚甲醛 / 福尔马林等固定液固定细胞。取样与送样细节请对照《武汉瑞兴生物单细胞类相关产品送样取样建议》；送样前请与业务经理确认并索取《样本信息单》。

06

分析内容

标准分析 STANDARD

  1. 数据质控与比对定量核数统计、TSS enrichment / FRiP、核小体模式与片段分布质检
  2. 峰（peaks）识别与合并样本内 / 样本间 open peaks 检测与合并峰集构建
  3. 降维聚类与细胞类型注释基于可及性信号的 UMAP 降维、聚类与细胞类型 / 亚群注释
  4. 差异可及性位点分析簇 / 分组间 DARs 检测，Top marker peaks 展示与注释
  5. Motif 富集与 TF 活性分析簇特异 open peaks 的 motif 富集、转录因子活性打分与可视化

高级分析 ADVANCED

  1. scATAC × scRNA 联合整合基因活性评分 + WNN / ArchR 等方法，染色质与表达同细胞对齐
  2. 增强子–基因连接与调控网络共可及性分析关联远端增强子与靶基因，构建 TF 调控网络
  3. 拟时序与调控动态分化轨迹上的开放状态变化，定位命运决定的调控节点
  4. 非编码变异与疾病位点注释GWAS / eQTL 位点与开放区域叠加，提示疾病易感机制
  5. 多组学联合分析可联合免疫组库（TCR/BCR）、蛋白组（AbSeq）、空间组学数据定制分析
07

应用案例

Science
IF 45.8 文献案例 · 2026 · 斯坦福大学 Bali Pulendran 团队

黏膜疫苗接种使小鼠获得针对多种呼吸道威胁的广谱保护

Mucosal vaccination in mice provides protection from diverse respiratory threats

  • 样本设计小鼠鼻内接种含 TLR4 / TLR7/8 激动剂的脂质体疫苗（GLA-3M-052-LS + OVA/NP）；BD Rhapsody 平台对 119,876 个肺细胞行 scRNA-seq、96,834 个细胞核行 scATAC-seq，联合 Curio Trekker 空间转录组（53,645 个核）与 PhenoCycler 空间蛋白成像；数据已公开于 GEO（GSE310116）
  • 研究背景传统疫苗针对特定病原体，难应对新发突变与未知病原；团队提出"整合器官免疫"概念——适应性免疫与组织固有细胞协同形成局部免疫屏障，其表观调控基础此前不明
研究发现
  • 广谱持久保护：免疫后 21 天 / 42 天 / 3 个月分别挑战 SARS-CoV-2、金黄色葡萄球菌、鲍曼不动杆菌，病毒 / 细菌载量显著下降；保护还覆盖 SARS-CoV 冠状病毒、PR8 流感及屋尘螨哮喘模型，持续至少 3 个月
  • scATAC 锁定"训练免疫"的表观证据：免疫后 3 个月，肺泡巨噬细胞的 H2-Aa、Ccl5 等抗原呈递与干扰素相关位点染色质持续开放，AP-1、STAT、IRF、NF-κB 等 TF 基序持续富集
  • TRM → RANKL → 巨噬细胞重塑：疫苗诱导的 CD69⁺CD103⁺ 组织驻留记忆 T 细胞长期存在；清除 T 细胞或阻断 RANKL（而非 IFN-γ / TNF-α）即消除保护，证实 T 细胞经 RANKL 信号轴"训练"肺泡巨噬细胞
  • 感染后快速应答：免疫小鼠感染 3 天内气道周围形成含 T / B 细胞与巨噬细胞的三级淋巴结构（TLS）；哮喘模型中 Th2、ILC2、嗜酸性粒细胞与血清 IgE 显著降低

阅读原文　doi: 10.1126/science.aea1260 →


Genome
Medicine
IF 10.4 文献案例 · 2024 · Medical College of Wisconsin Victor X. Jin 团队

他莫昔芬耐药乳腺癌中表观遗传调控的癌细胞状态与异质性核心特征

Integrated single-cell analysis reveals distinct epigenetic-regulated cancer cell states and a heterogeneity-guided core signature in tamoxifen-resistant breast cancer

  • 样本设计2 例正常乳腺组织、3 例原发肿瘤（PT）、3 例他莫昔芬耐药复发肿瘤（RT），共 82,400 个细胞行 scRNA-seq + scATAC-seq 联合分析；BMP7 功能经 siRNA 敲低、增殖 / 迁移实验与 Western blot 验证
  • 研究背景约 70% 乳腺癌为 ER⁺、依赖内分泌治疗，约 30% 患者因耐药复发；既往研究多聚焦基因突变与表达差异，单细胞水平的表观调控与微环境互作机制尚未阐明
研究发现
  • 定义 9 种癌细胞状态（CS）：5 个 PT 特异（富集 ER 信号 ESR1/PGR）、3 个 RT 特异（富集 HER2 信号 ERBB2 与侵袭模块 MMP11）、1 个共享状态；RNA 速度与轨迹分析刻画 PT → 共享中间态 → RT 的演进路径
  • 表观-转录协同：RT 特异状态检出 3,292 个远端差异开放区（如 BMP7 上游 −50 kb）与 131 个近端 DARs，富集 FOS / JUNB 结合位点；137 个"异质性核心特征（HCS）"基因（BMP7、FOSL1 等）表达与染色质可及性显著正相关，远端–启动子共可及性评分 > 0.8
  • BMP7 功能验证：敲低 BMP7 使耐药细胞增殖降低 62%、迁移抑制 55%，与他莫昔芬（4-OHT）联用增效 3 倍；机制为 p-MAPK 下调；BMP7 高表达患者无复发生存期显著缩短
  • 微环境通讯重塑：RT 癌细胞经 LAMININ（LAMA5-ITGB1）、BMP（BMP7-BMPR1A）通路与基质细胞互作促侵袭，雌激素（ESR1）自分泌信号增强——表观重塑与代谢通讯共同维持耐药状态

阅读原文　doi: 10.1186/s13073-024-01407-3 →

08

常见问题

已经做了 scRNA-seq，为什么还要做 scATAC-seq？
RNA 测的是"已经发生的表达结果"，ATAC 测的是"表达发生之前的调控准备状态"。很多生物学过程里调控变化先于表达变化——RNA 层面差异还不明显时，染色质开放状态可能已经给出方向性信号。两者联合才能回答"哪些细胞在变"和"为什么变"。
一次实验能做多少细胞核？
平台通量灵活：单个 Lane 可捕获约 500–50,000 个细胞核；采用 Large Input 流程时，单个 Cartridge 最高支持 40 万以上细胞核。小规模机制研究和大规模细胞图谱都能覆盖。
能和转录组同时做吗？还是必须分开做两次？
BD Rhapsody™ 微孔路线支持同核双组学：Tn5 标记后的细胞核上机，ATAC 片段与 mRNA 在同一颗磁珠上被捕获，分建 ATAC 与 WTA 文库——一次实验同时拿到染色质开放与基因表达数据，省样本、无批次偏差；也可以只做 ATAC 单组学。
数据质量怎么评估？
常用指标：TSS enrichment（转录起始位点富集）、FRiP（入峰片段比例）、核小体周期片段分布。BD 平台实测：小鼠骨髓 TSS enrichment 26、小鼠脑组织 23；我司 PBMC ATAC+WTA Next 实测 TSS enrichment 35.16（见「实测数据展示」数据 1）。
项目周期一般多长？
样本合格后，核提取、标记、捕获建库约 2–3 周，标准分析约 2-3 周；ATAC × RNA 联合整合或定制分析按需求另行约定。
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