【技术应用】利用CUT&Tag找组蛋白修饰调控基因研究思路

01 组蛋白修饰：基因调控的“分子开关”

1.什么是组蛋白修饰？

组蛋白修饰是表观遗传学的重要分支，它不改变DNA序列，却能通过修饰“开关”基因表达，影响细胞命运和疾病进程。染色质是由组蛋白八聚体和缠绕其上的DNA组成的复杂结构，其中核小体作为基本单元，由146 bp的DNA片段缠绕组蛋白八聚体约1.65圈构成，并连接着20-50 bp的linker DNA。组蛋白八聚体本身由2个H2A、2个H2B、2个H3和2个H4组成，这些组蛋白在进化上高度保守，但其N端尾巴富含赖氨酸和精氨酸，可被修饰酶通过共价键添加甲基、磷酸基、乙酰基或泛素等基团，形成组蛋白修饰（如H3组蛋白修饰最多，其第4位赖氨酸的三甲基化标记为H3K4me3）。这些修饰动态调节染色质结构和功能，通过影响组蛋白间相互作用及组蛋白与DNA的结合，进而调控基因转录活性：激活型修饰（如H3K4me3）常促进基因表达，而抑制型修饰（如H3K27me3）则降低转录水平，共同实现基因表达的精细控制。

表 部分常见组蛋白修饰。

2.组蛋白修饰影响基因表达的机制

1、染色质结构调控机制：

组蛋白修饰通过改变染色质的紧密程度，直接影响转录因子对DNA的可及性。某些特定的修饰能够促使染色质从紧密压缩的状态转变为松散的开放状态，从而增加转录因子接触DNA的能力。这一过程在基因表达的激活中起关键作用。反之，当染色质被过度压缩时，转录因子的结合受到限制，进而抑制基因的转录过程。这种基于染色质结构的机制调控在细胞的整个生命周期中都发挥着重要作用，决定了哪些基因在何种条件下可以被激活或沉默。

2、蛋白复合物招募机制：

组蛋白修饰在转录起始和延伸过程中扮演着重要角色。不同类型的修饰可作为独特的识别信号，招募或阻碍转录相关蛋白复合物的结合。这些修饰能够吸引特定的激活因子或抑制因子，从而调节基因转录的效率和精准性。例如，某些修饰可以标记出活跃的基因启动子区域，吸引转录激活因子，促进转录起始复合物的组装；而另一些修饰则可能标记出需要沉默的基因区域，吸引抑制因子，阻止转录起始或抑制转录延伸过程。这种机制使得细胞能够根据不同的生理需求和信号输入，灵活地调控基因表达的水平和动态变化。

3、表观遗传标记机制：

组蛋白修饰在维持基因表达的时空特异性和稳定性方面发挥着关键作用。通过构建特异性的表观遗传标记，细胞能够在不同发育阶段和组织中精准地控制基因的表达模式。这些修饰模式不仅在细胞的分化和发育过程中得以建立和维持，还可以在细胞分裂过程中被遗传传递给子细胞。这种遗传性使得细胞能够保持其类型特异性基因表达的特征，确保细胞的功能和身份在多次细胞分裂后依然得以维持。此外，稳定的表观遗传标记还为细胞提供了应对环境变化和生理应激的灵活性，使得基因表达能够在细胞内外环境的动态变化中保持稳定性和适应性。

3.组蛋白修饰的角色和功能

1、组蛋白修饰在基因表达调控中的关键作用：

组蛋白修饰在基因表达调控中扮演着至关重要的角色。通过特定类型的组蛋白修饰，转录因子与DNA的结合能力可以被精准调控，从而实现对基因启动与沉默的精细控制。这些修饰犹如基因表达的“开关”，根据细胞内外环境信号，精确调节目标基因的表达水平，使得细胞能够快速适应生理需求的变化，维持其正常生理功能和稳态。例如，在细胞分化过程中，某些组蛋白修饰会激活与分化相关的基因表达，同时抑制其他非相关基因，引导细胞向特定方向分化并保持其分化后的特异性表型（Xie et al., 2013）。

2、组蛋白修饰对DNA损伤修复的促进作用：

在维持基因组稳定性方面，组蛋白修饰发挥着不可忽视的功能。当DNA遭受损伤时，组蛋白修饰迅速响应，通过招募一系列DNA修复相关蛋白，促进损伤位点的精准识别与高效修复。这些修饰如同细胞内的“报警信号”，在损伤发生后快速标记受损区域，吸引并指导修复蛋白复合物的组装。它们在细胞应对外界致突因素（如紫外线、化学诱变剂等）或内源性DNA损伤（如氧化应激引起的DNA损伤）时，发挥着至关重要的作用，确保基因组的完整性和连续性，减少因DNA损伤未及时修复而导致的突变积累和细胞功能异常，从而维持细胞的健康状态和生存能力（Kim et al., 2019）。

3、组蛋白修饰在细胞周期调控中的重要作用：

组蛋白修饰对于细胞周期的正常推进具有关键的引导作用。在细胞周期的不同阶段，组蛋白修饰通过引导染色质重塑和相关蛋白的时序性募集，确保细胞周期进程的精确性和有序性。例如，在DNA复制前的准备阶段，特定的组蛋白修饰会促使染色质结构变得相对松散，为复制蛋白的结合创造有利条件；而在细胞分裂的有丝分裂阶段，组蛋白修饰则参与染色质的凝聚和去凝聚过程，保障染色体的正确分离和分配到子细胞中。这种时序性调控机制使得细胞能够在各个周期阶段顺利过渡，避免因染色质结构异常或相关蛋白募集失调而导致的细胞周期停滞、染色体非整倍性等严重后果，从而维持细胞的正常增殖能力和遗传信息的稳定传递（Annunziato., 2015）。

02 CUT&Tag技术：高分辨率映射组蛋白足迹

CUT&Tag（Cleavage Under Targets and Tagmentation）技术作为新一代表观遗传学研究工具，通过特异性抗体精准识别目标蛋白或特定染色质修饰位点，并利用Protein A/G转座酶复合体实现靶向DNA的高效片段化与文库构建，专为研究转录因子结合及组蛋白修饰位点而设计。相较于传统ChIP-seq技术存在的样本需求量大、数据信噪比低等固有缺陷，2019年Henikoff团队在《Nature Communications》公布的这项技术革新，成功将细胞起始量降低，同时将检测灵敏度提升。

图 CUT&Tag技术原理图（Kaya-Okur et al., 2019）。

03 组蛋白修饰研究思路

组蛋白修饰的动态变化模式——无论是不同样本组间的显著差异，还是时序梯度实验（如发育或处理过程）中呈现的规律性丰度波动——常被视为特定生物学过程活跃性的关键调控标志。 CUT&Tag技术可以深入解析这些修饰如何精确调控基因表达并最终影响生物表型。该技术能在近乎天然状态下，于全基因组范围内高分辨率地绘制组蛋白修饰位点的精细分布图谱。通过对这些全局性结合数据的系统分析，可以精准筛选出与研究目标表型高度关联的关键下游候选靶基因，为最终揭示组蛋白修饰通过调控特定基因网络以驱动表型变化的深层分子机制提供清晰的解析路径。

小医叨叨

作为动植物功能基因研究和应用的一站式综合性服务商，伯远生物构建了全链条表观组学解决方案。依托三大技术平台（表观组学制备平台、高通量测序中心、多组学联合分析平台），我们为科研工作者提供从方案设计（涵盖ATAC-seq/CUT&Tag/ChIP-seq等多种组学技术）、标准化样本处理（支持特殊类型）、NovaSeq X Plus等高通量测序、到多维数据挖掘的完整闭环服务。在功能验证方面可提供EMSA、ChIP-qPCR、双荧光素酶报告系统及酵母单/双杂交等多维交叉验证体系，显著提升研究成果的可靠性。

了解更多伯远生物组蛋白修饰与CUT&Tag分析服务相关内容，欢迎随时与我们技术支持沟通~

参考文献

[1] Xie W, Schultz M D, Lister R, et al. Epigenomic analysis of multilineage differentiation of human embryonic stem cells[J]. Cell, 2013, 153(5): 1134-1148.

[2] Kim J J, Lee S Y, Miller K M. Preserving genome integrity and function: the DNA damage response and histone modifications[J]. Critical reviews in biochemistry and molecular biology, 2019, 54(3): 208-241.

[3] Annunziato A T. The fork in the road: histone partitioning during DNA replication[J]. Genes, 2015, 6(2): 353-371.

[4] Kaya-Okur H S, Wu S J, Codomo C A, et al. CUT&Tag for efficient epigenomic profiling of small samples and single cells. Nat. Commun. 10, 1930[J]. 2019.