单细胞 CUT&Tag (Single-cell Cleavage UnderTargetsAnd Tagmentation)是一种在单个细胞中高灵敏度检测蛋白质(如组蛋白修饰或转录因子)与DNA结合位点互作关系的新方法。
通过温和裂解细胞膜，使抗体和酶进入核内，抗体特异性结合目标蛋白并连接ProteinA-Tn5形成转座酶复合体。Tn5在抗体标记的染色质区域附近切割DNA并插入测序接头，通过微流控或微孔板分离单细胞，添加细胞特异性barcode。PCR扩增后进行测序，通过barcode区分细胞来源，解析单细胞水平的蛋白-DNA互作图谱。
单细胞CUT-Tag，文库构建主要分以下步骤：
1、单细胞(核)分离
2、通透
3、抗体-Tn5孵育
4、液滴生成
5、文库构建
6、测序
7、数据分析
水稻根尖是研究细胞分化与发育表观调控的理想模型，然而传统的群体水平组蛋白修饰分析无法区分根尖不同细胞类型间的异质性，阻碍了对根尖发育过程中表观基因组动态变化的系统解析。针对这一技术瓶颈，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室开发了单细胞核CUT&Tag（snCUT&Tag）技术，并将其应用于水稻根尖的表观转录组研究[1]。
研究团队利用H3K4me3（活性转录启动标记）和H3K9me2（异染色质标记）抗体，对水稻根尖组织的3,000余个单细胞核进行了超高分辨率的组蛋白修饰空间定位与测序，成功构建了首个水稻根尖染色质修饰单细胞图谱。关键发现揭示了根尖不同细胞层级（如表皮细胞、皮层细胞、中柱细胞等）间的表观异质性具有显著的群体差异，表明各细胞类型的表观转录调控网络并非依赖恒定活动，而是与发育进程和细胞功能分化紧密耦合；更重要的是，该图谱使研究者首次能在单细胞水平上预测长距离染色质远程互作，初步构建出水稻细胞类型特异的染色质拓扑关联结构域（TADs）的三维基因组骨架。这一成果不仅为破解水稻根尖分生区细胞分化与增殖的表观调控机制提供了非均质空间上的高分辨数据资源，也从单细胞维度上揭示了全基因组染色质活性的精细分布对植物发育进程中细胞命运决定的调控作用，同时实现了一套可推广、可复制的植物snCUT&Tag标准数据分析流程。该案例充分展现了snCUT&Tag技术在植物发育生物学中识别稀有细胞类型特异的表观修饰特征、精确划定细胞分化轨迹和构建三维基因组互作图谱的核心应用价值。
[1] Ouyang W, Zhang X, Peng Y, et al. Rapid and Low-Input Profiling of Histone Marks in Plants Using Nucleus CUT&Tag. Front Plant Sci. 2021;12:634679. Published 2021 Apr 12. doi:10.3389/fpls.2021.634679
