表觀遺傳學是解析生命現象調控機制的重要領域之一，其中蛋白質與DNA的相互作用（如組蛋白修飾、轉錄因子結合），在很大程度上影響著基因表達的時空特異性，也是連接基因型與表型的重要紐帶，廣泛參與各類生命活動的調控進程。隨著表觀基因組學技術不斷迭代，2019年開發(fā)的CUT&Tag技術憑借原位靶向切割、低樣本需求、高靈敏度、低背景噪音等核心優(yōu)勢，可高效解析蛋白質-DNA相互作用，已成為表觀基因組學研究的主流技術工具。

什么是CUT&Tag？

CUT&Tag全稱Cleavage Under Targets and Tagmentation，是一種新型的蛋白-DNA互作研究技術，可廣泛應用于組蛋白修飾、轉錄因子、染色質重塑蛋白等全基因組結合位點分析，適用于動植物、細胞及組織等多種樣本類型。

技術原理

在CUT&Tag實驗中，先將細胞（核）固定在刀豆蛋白磁珠（ConA 磁珠）上，加入特異性一抗識別并結合目標蛋白（如轉錄因子、組蛋白修飾標記），再通過二抗放大信號?？贵w復合物與ProteinA/G融合的Tn5轉座酶（pAG-Tn5）結合，將轉座酶精準定位至目標蛋白結合的DNA區(qū)域。Tn5轉座酶激活后，對目標蛋白結合的DNA進行片段化切割，同時在切割位點兩端添加測序接頭，經PCR擴增后即可完成文庫制備。

CUT&Tag技術流程圖

技術優(yōu)勢

高效簡便

無需超聲破碎染色質，實驗流程從ChIP-seq的3-5天縮短至1-2天，建庫一步完成。

低樣本量

樣本用量顯著降低，適配微量組織與珍貴稀缺樣本。

高信噪比

背景信號低，特異性結合區(qū)域富集度高，減少非特異性結合帶來的干擾。

溫和反應條件

避免劇烈的染色質破碎和復雜的純化步驟，更好保留蛋白質-DNA天然相互作用。

植物領域應用場景

1.       轉錄因子調控研究：鑒定轉錄因子在全基因組的結合位點，解析其對下游基因的轉錄調控模式，構建關鍵生物學過程的轉錄調控網絡

2.       組蛋白修飾表觀調控研究：分析組蛋白修飾（如甲基化、乙酰化等）在染色質上的分布情況，了解組蛋白修飾與基因表達、染色質狀態(tài)之間的關系。

3.       逆境響應與抗病機制研究：挖掘非生物脅迫、生物脅迫下蛋白-DNA互作的動態(tài)變化與異常特征，闡明抗逆、抗病的分子調控機理，為作物分子育種、病害綠色防控提供靶點與理論支撐。

4.       生長發(fā)育研究：解析種子萌發(fā)、開花結實、器官形成等不同發(fā)育階段的蛋白-DNA互作動態(tài)，揭示生長發(fā)育調控的分子基礎。

文獻案例

CUT&Tag技術在棉花鹽脅迫下H3K27me3表觀調控研究中的應用

文獻題目：H3K27me3-mediated chromatin remodeling governs salt tolerance in cotton via Na+/K+ homeostasis modulation

核心研究結果：

本研究通過CUT&Tag技術解析了鹽脅迫下棉花根系H3K27me3的全基因組分布特征，發(fā)現鹽脅迫會顯著降低該組蛋白修飾水平，并結合RNA-seq數據篩選出36個表達量與H3K27me3修飾水平呈負相關的基因。結合后續(xù)實驗，進一步鎖定GhNCED3、GhTIFY9兩個關鍵耐鹽基因，并證實其可通過調控活性氧積累與鈉鉀離子平衡正向增強棉花耐鹽能力。

該研究依托CUT&Tag精準揭示了H3K27me3介導的表觀調控網絡，填補棉花鹽脅迫表觀機制空白，為耐鹽棉花分子育種提供關鍵靶標與理論依據。

圖1. 對照與鹽處理條件下棉花根系H3K27me3的特征。（A）對照（Mock）與鹽處理下根系組織H3K27me3富集水平的Westernblot分析。（B）H3K27me3相對灰度值。（C）CUT&Tag實驗中對照與鹽處理根系檢測到的峰數。（D、E）對照（D）與鹽處理（E）根系H3K27me3峰的基因組分布，展示峰在啟動子、基因區(qū)、基因間區(qū)及其他基因組元件中的占比。（F）對照與鹽處理根系H3K27me3的全基因組覆蓋度。（G）對照與鹽處理根系中H3K27me3在所有棉花基因上的分布（基因體上游3kb至下游3kb）。

圖2. 鹽脅迫對鹽響應基因H3K27me3修飾及表達水平的影響。（A）對照與鹽處理根系中GhNCED3的H3K27me3修飾圖譜。（B）對照與鹽處理根系中GhTIFY9的H3K27me3修飾圖譜。（C）采用CUT&Tag-qPCR檢測GhNCED3與GhTIFY9的H3K27me3水平。（D）采用RNA-seq與qRT-PCR分析GhNCED3和GhTIFY9的表達水平。