《BMC Genomics》：ATAC-seq and RNA-seq reveal key genes and pathways regulating lactation in the mammary gland of Yili horses
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为了系统阐明泌乳调控的动态分子机制，研究人员聚焦伊犁马，通过整合染色质可及性（ATAC-seq）与转录组（RNA-seq）测序，开展了阶段特异性（泌乳早期S1与泌乳高峰S2）的乳腺组织研究。该研究成功构建了染色质可及性图谱，鉴定了与泌乳阶段关联的特异性染色质开放区域、差异表达基因（DEGs）及关键转录因子（如STAT5），并整合分析出22个在两层数据中均发生协同变化的候选基因（如PTGES、NFATC4），它们富集于催产素信号、PI3K-Akt等通路，为深入解析马科动物泌乳调控网络提供了关键候选靶点与理论依据。
哺乳动物的泌乳是一个高度协调且动态变化的生物学过程，它不仅是后代生存和发育的营养基础，也是乳腺自身经历复杂重塑与功能分化的结果。在这一过程中，乳腺腺体的发育、分化以及乳汁成分的合成与分泌，都受到精密而多层次的基因表达调控。近年来，随着表观基因组学与转录组学技术的发展，科学家们逐渐认识到，染色质结构的动态变化——特别是染色质可及性（chromatin accessibility）——在控制基因转录活性、从而决定细胞命运与功能方面扮演着至关重要的“开关”角色。然而，对于像马这样的特色经济动物，其乳腺在泌乳不同阶段（如泌乳早期与泌乳高峰期）的基因表达程序是如何被上游的染色质开放状态所精确调控的，相关的全局性图谱与核心调控因子仍不清楚。这限制了我们从表观遗传维度深入理解泌乳生物学，也阻碍了通过分子育种手段改善产奶性能等相关应用研究。为了填补这一知识空白，一项针对伊犁马（Yili horse）的研究应运而生，旨在绘制泌乳阶段的染色质可及性与基因表达动态图谱，并从中挖掘调控泌乳的关键基因与通路。
该研究论文发表在《BMC Genomics》上。研究人员为开展此项工作，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，研究以伊犁马为模型，采集了泌乳早期（S1）和泌乳高峰期（S2）两个关键阶段的乳腺组织作为样本队列。在此基础上，他们对这些组织样本并行进行了ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high-throughput sequencing，用于全基因组水平检测染色质开放区域）和RNA-seq（RNA测序，用于全面分析基因表达水平）测序分析。随后，通过生物信息学手段整合这两层组学数据，鉴定阶段特异性的染色质可及性峰（peaks）和差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs），并进行了转录因子结合 motif（模体）富集分析和通路富集分析，以系统揭示泌乳调控的潜在网络。
研究结果
阶段特异性染色质可及性图谱
通过对S1和S2阶段乳腺组织的ATAC-seq分析，研究人员成功构建了伊犁马泌乳阶段的染色质可及性图谱。他们共鉴定出32,187个S1阶段特异性的开放区域（peaks）和46,661个S2阶段特异性的开放区域。这些数据表明，在泌乳的不同时期，乳腺细胞的染色质开放状态存在广泛而显著的差异，这很可能对应于不同功能基因集的转录活性切换，为后续寻找关键的调控区域奠定了基础。
差异表达基因与功能富集
对RNA-seq数据的分析揭示了泌乳不同阶段的差异表达基因。其中，在特定阶段上调表达的基因显著富集于与细胞命运决定和器官功能密切相关的生物学过程，例如细胞分化、组织发育等。更重要的是，信号通路富集分析指出，这些基因可能通过多条关键的细胞信号转导通路参与泌乳调控，包括PI3K-Akt signaling pathway、JAK-STAT signaling pathway和Rap1 signaling pathway。这些通路在细胞增殖、存活、分化及激素响应中具有核心作用，提示它们共同构成了泌乳调控网络的重要支柱。
关键转录因子的预测
为了探寻驱动上述染色质可及性与基因表达变化的潜在“指挥官”，研究团队进行了转录因子结合motif的富集分析。分析结果显示，若干重要的转录因子可能在泌乳阶段转换中发挥核心作用，其中包括STAT5、SMAD4和KLF3。STAT5是催乳素信号通路的关键下游效应因子，在乳腺发育与泌乳中功能明确；SMAD4是TGF-β（Transforming Growth Factor-beta）超家族信号的核心介质；KLF3则属于Krüppel样因子家族。它们的富集提示这些转录因子可能通过结合到阶段特异性开放的染色质区域，直接调控下游靶基因的表达，从而影响泌乳进程。
多组学整合与核心候选基因筛选
本研究最核心的分析在于将ATAC-seq揭示的染色质可及性变化与RNA-seq揭示的基因表达变化进行整合。研究人员采用了一种保守的、基于重叠（overlap-based）的策略，优先筛选那些在“染色质开放程度”和“基因表达水平”两个层面上均发生协同性显著变化的基因，将这些基因作为后续功能研究中最具潜力的假设生成信号。通过这一整合分析，他们成功锁定了22个这样的差异表达基因，其染色质可及性也发生了改变。这些基因包括PTGES（前列腺素E合成酶）、NFATC4（活化T细胞核因子4）、RET（受体酪氨酸激酶）、RGS2（G蛋白信号调节因子2）以及EQMHCB2等。进一步的功能注释表明，这些候选基因参与了多个与泌乳及细胞功能密切相关的生物学通路，例如催产素信号通路（oxytocin signaling pathway）、谷胱甘肽代谢（glutathione metabolism）以及Wnt信号通路（Wnt signaling）。这些通路的富集，从分子层面将候选基因与已知的泌乳生理调节（如催产素诱导的排乳反射）、氧化应激平衡以及细胞增殖分化调控联系了起来。
研究结论与意义
本研究通过整合ATAC-seq和RNA-seq技术，首次在伊犁马乳腺组织中构建了一个阶段分辨率（stage-resolved）的染色质可及性与基因表达图谱。研究不仅系统地描绘了泌乳早期与高峰期之间染色质开放状态的全局性差异和转录组重编程特征，还通过多组学数据整合，克服了单一组学分析的局限性，精确定位了一批在表观遗传和转录层面均发生协同变化的高置信度候选基因（如PTGES、NFATC4、RGS2等）。这些基因富集于PI3K-Akt、JAK-STAT、催产素信号等关键通路，并且其上游可能受到STAT5、SMAD4等关键转录因子的调控。该研究的意义在于：从科学认知层面，它为理解马科动物乃至哺乳动物泌乳的复杂表观遗传调控机制提供了全新的数据资源和具体的分子线索，将泌乳生物学研究从转录组水平推进到了染色质调控水平；从应用角度看，这些发现为未来通过分子标记辅助选择或基因编辑等前沿技术，针对性地改良马的产奶性能、乳汁成分或乳腺健康奠定了重要的理论基础，并指明了后续功能验证的优先方向。总之，这项研究不仅贡献了一个宝贵的多组学资源库，更通过严谨的生物信息学分析，提炼出了驱动泌乳过程的核心候选基因与通路网络框架，为后续的深入机制探索和育种应用铺平了道路。
