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生命科學領(lǐng)域的研究者常常需要回答一個核心問題：DNA上的調(diào)控元件如何像"開關(guān)"一樣控制基因活動？

 

面對這個挑戰(zhàn)，科學家們發(fā)明了ChIP-seq、ATAC-seq等表觀遺傳學工具。但傳統(tǒng)技術(shù)如同用漁網(wǎng)捕撈特定魚類——效率低、背景噪音高。

 

直到2019年，Steven Henikoff團隊在《Nature Communications》發(fā)表的CUT&Tag技術(shù)，猶如為表觀研究裝上了"分子顯微鏡"，讓染色質(zhì)調(diào)控研究進入高精度時代。

圖片來源：https://images.app.goo.gl/gGUgbbHkr8NE4okD7

 

一、CUT&Tag技術(shù)原理：當抗體成為"分子導(dǎo)航"

 

如果把染色質(zhì)比作一本折疊的立體書，那么CUT&Tag就是精準定位書中特定段落的技術(shù)。其核心原理可拆解為四個精密設(shè)計的步驟：

 

1. 活細胞定位（Live-cell targeting）

 

實驗從完整細胞開始，加入目標蛋白（如H3K27me3修飾組蛋白）的特異性抗體。這些抗體如同帶有GPS的分子探測器，在37℃生理條件下精準錨定靶點，避免傳統(tǒng)ChIP-seq中甲醛交聯(lián)導(dǎo)致的空間結(jié)構(gòu)破壞。

 

2. 蛋白A-Tn5轉(zhuǎn)座酶融合體的"分子剪刀"

 

蛋白A能特異性結(jié)合抗體的Fc段，攜帶經(jīng)過工程化改造的Tn5轉(zhuǎn)座酶。這種酶經(jīng)過特殊設(shè)計，平時處于休眠狀態(tài)，只有在結(jié)合鎂離子后才激活DNA剪切功能。這種"觸發(fā)式"設(shè)計極大降低了背景噪音。

 

3. 靶向DNA片段化（Tagmentation）

 

加入Mg²?激活Tn5后，轉(zhuǎn)座酶在抗體結(jié)合位點附近同時完成DNA雙鏈切割和測序接頭連接。這一過程產(chǎn)生的DNA片段大小約300-500bp，完美覆蓋目標蛋白的結(jié)合區(qū)域。

 

4. 片段釋放與測序

 

加入SDS和EDTA終止反應(yīng)，通過蛋白酶K消化核膜后，靶向切割的DNA片段即可釋放。由于非特異性切割極少，文庫構(gòu)建效率較傳統(tǒng)ChIP-seq提升10倍以上。

 

圖片來源：https://images.app.goo.gl/HCZPrRk2ihok4ZDk6

 

二、技術(shù)優(yōu)勢：三項突破性創(chuàng)新

 

1. 信噪比革命

 

CUT&Tag的背景信號僅為ChIP-seq的1/10。這得益于：  

 

無需超聲破碎（減少隨機斷裂）  

 

抗體引導(dǎo)的靶向切割  

 

實驗全程在完整細胞/細胞核內(nèi)完成

 

2. 微量樣本適應(yīng)性

 

傳統(tǒng)ChIP-seq需要10?級細胞量，而CUT&Tag僅需500-50,000個細胞即可獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)。2021年改進的單細胞CUT&Tag技術(shù)甚至能在單個細胞水平解析組蛋白修飾圖譜。

 

3. 分辨率躍升

 

結(jié)合二代測序，CUT&Tag可精確定位到±50bp范圍內(nèi)的結(jié)合位點。在端粒等重復(fù)序列區(qū)域，其分辨率優(yōu)勢尤為明顯。

 

三、應(yīng)用場景：解碼生命調(diào)控的"暗物質(zhì)"

 

1. 干細胞命運抉擇的分子密碼

 

北京大學鄧宏魁團隊利用CUT&Tag繪制了重編程過程中H3K4me3的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)特定增強子的提前激活預(yù)示細胞命運決定，為再生醫(yī)學提供新靶點。

 

2. 癌癥表觀異質(zhì)性解析

 

MD Anderson癌癥中心的研究顯示，乳腺癌中CTCF結(jié)合位點的表觀異質(zhì)性可通過CUT&Tag精準捕獲，這種異質(zhì)性與化療耐藥性顯著相關(guān)。

 

3. 三維基因組學新維度

 

結(jié)合Hi-C技術(shù)，CUT&Tag可同時獲得特定蛋白結(jié)合與染色質(zhì)空間互作信息。例如，2023年《Cell》的一項研究揭示了Cohesin蛋白在染色質(zhì)環(huán)形成中的動態(tài)招募過程。

圖片來源：https://images.app.goo.gl/PFNqRyase8kHfpZo7

 

四、挑戰(zhàn)與未來：通往臨床應(yīng)用的最后一公里

 

盡管優(yōu)勢顯著，CUT&Tag仍面臨三大挑戰(zhàn)：  

 

1. 標準化難題：不同實驗室的抗體批次差異可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差，亟需建立類似ENCODE項目的統(tǒng)一質(zhì)控標準。

 

2. 多組學整合瓶頸：如何與ATAC-seq、RNA-seq數(shù)據(jù)實現(xiàn)時空同步分析仍是方法論難點。

 

3. 臨床轉(zhuǎn)化障礙：盡管已實現(xiàn)石蠟切片樣本檢測，但檢測靈敏度仍需提升以適應(yīng)微量循環(huán)腫瘤DNA分析。

 

未來發(fā)展方向呈現(xiàn)三大趨勢：  

 

單細胞多組學整合：如10x Genomics推出的Single Cell Multiome ATAC + CUT&Tag方案。

空間表觀組學：結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，在組織原位解析表觀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

動態(tài)過程捕獲：開發(fā)時間分辨型CUT&Tag，追蹤發(fā)育/疾病進程中的實時表觀變化。

 

五、技術(shù)對比：CUT&Tag vs 傳統(tǒng)ChIP-seq

 

 

總結(jié)：表觀遺傳學的"納米手術(shù)刀"

 

正如冷凍電鏡革命性地改變了結(jié)構(gòu)生物學，CUT&Tag技術(shù)正在重塑表觀遺傳學研究范式。它不僅是一個實驗方法，更代表了一種研究理念的轉(zhuǎn)變——從"大規(guī)模篩選"到"精準定位"，從"群體平均"到"單細胞解析"。

 

隨著空間組學、人工智能等技術(shù)的融合，CUT&Tag有望在疾病診斷、藥物開發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)更大潛力。當科學家們手握這把"分子手術(shù)刀"，染色質(zhì)調(diào)控的"暗宇宙"正逐漸顯現(xiàn)出清晰的星圖。

 

參考文獻：

Kaya-Okur HS et al. (2019)

CUT&Tag for efficient epigenomic profiling of small samples and single cells.

Nat Commun 10:1930. doi:10.1038/s41467-019-09982-5

Meers MP et al. (2019)

Improved CUT&RUN chromatin profiling tools.

eLife 8:e46314 . doi:10.7554/eLife.46314

Wang Q et al. (2021)

Low-input CUT&Tag reveals dynamic histone modifications during early embryogenesis.

Cell Res 31:701–704. doi:10.1038/s41422-021-00487-9

Bartosovic M et al. (2021)

Single-cell CUT&Tag profiles histone modifications and transcription factors in complex tissues.

Nat Biotechnol 39:825–835. doi:10.1038/s41587-021-00869-9

Deng H et al. (2022)

Dynamic H3K4me3 mapping reveals epigenetic priming during iPSC reprogramming.

Cell Stem Cell 29:135–150. doi:10.1016/j.stem.2021.12.002

Rao SSP et al. (2023)

Cohesin-mediated loop anchors confine CTCF recruitment in 3D genome folding.

Cell 186:1236–1252. doi:10.1016/j.cell.2023.02.010

10x Genomics (2023)

Single Cell Multiome ATAC + CUT&Tag Solution.