细胞命运决定与基因表达特异性受多种表观遗传机制调控。其中，组蛋白修饰（如H3K27ac、H3K27me3等）作为表观遗传调控的核心机制，通过重塑染色质结构介导时空特异性基因表达，对细胞命运决定和组织发育发挥关键作用。目前常用的表观遗传基因组技术包括ChIP-seq、CUT&Tag等，虽能解析染色质特征但需解离细胞，容易造成导致空间信息丢失。

近年来，空间组学技术的发展克服了上述局限，Epigenomic MERFISH、Spatial-CUT&Tag等新兴技术使得在组织原位解析表观基因组成为可能。但Epigenomic MERFISH技术的流程复杂、无法与转录组分析兼容，且严重依赖预设探针；Spatial-CUT&Tag技术虽能兼容多组学扩展应用，但易受组织异质性影响且依赖微流控设备难以大规模应用。

近日，厦门大学杨朝勇、张惠敏、黄佳良团队合作开发了一种名为Super-CUT&Tag的新型空间表观基因组学技术，能够直接将组织切片中的原位蛋白质-DNA相互作用原位转移至预先制备的空间条形码阵列上。该技术通过整合3D PAMAM（聚酰胺-胺型）树枝状聚合物，显著提升了染色质捕获效率，灵敏度较现有Spatial-CUT&Tag方法提高数倍。利用该技术，研究团队绘制了发育中小鼠胚胎组织的H3K27ac空间图谱，发现了此前隐藏的活性染色质异质性；并结合空间转录组学，揭示了皮层发育过程中 Neurod2的时空增强子调控动态。总之，Super-CUT&Tag突破了灵敏度、分辨率与易用性的关键瓶颈，为复杂组织的空间表观基因组分析提供了有力支持。相关内容发表于预印本平台bioRxiv。

Super-CUT&Tag的核心创新在于其捕获载片的设计。研究团队在载片表面修饰了第五代（G5）PAMAM树枝状大分子，每个大分子可携带128个活性氨基，该结构显著增加了纳米级粗糙度；能够共价交联超高密度的空间DNA条形码（2.07×10⁴个/μm²），较2D载玻片高出一个数量级，显著增强了DNA片段的捕获能力。条形码通过两步微流控工艺制备并以二维组合矩阵形式排列，实现对空间位置的精确编码。此外，该方法采用夹板寡核苷酸介导的特异性杂交策略，提升了空间条形码与标签化DNA片段结合的准确性，并在杂交缓冲液中添加聚乙二醇（PEG8000）限制DNA扩散，维持了空间信息的保真度。

接下来，研究团队对Super-CUT&Tag进行基准测试。结果显示，该技术展现出了相比前代Spatial-CUT&Tag技术的显著优势。对于H3K27ac，Super-CUT&Tag的检测灵敏度提升3-5倍；对于H3K4me3，Super-CUT&Tag获得了更高的中位数片段计数，并显著提高了峰富集度；对H3K27me3的检测性能则与现有技术相当。

在空间异质性解析上，Spatial-CUT&Tag对不同组蛋白修饰的无监督聚类结果均与胚胎解剖结构高度吻合，标记基因的染色质状态也与组织特异性一致，表明其能精准捕捉空间维度的表观遗传差异。数据一致性验证中，该技术不仅识别出与解剖区域匹配的细胞群体，且相关性系数极高。可重复性方面，无需校正批次效应即可实现组蛋白修饰数据的良好映射，重复实验具有强Spearman相关性（ρ> 0.92）。

上述结果表明，通过使用预制的、高灵敏度的载片，Super-CUT&Tag能够对各种组蛋白修饰实现准确且可重复的空间表观基因组图谱分析。

图1. Super-CUT&Tag的开发与基准测试

为探索胚胎发育中的活性增强子功能，研究团队利用Super-CUT&Tag绘制了小鼠胚胎从E10.5至E14.5阶段的H3K27ac修饰空间动态图谱。对各发育阶段的无监督聚类显示，每个阶段可识别8-14个不同空间聚类；通过整合多发育阶段染色质图谱并校正批次效应，共识别出20个独特空间聚类，这些聚类精准对应小鼠胚胎的不同解剖区域。

在功能增强子识别上，研究团队通过峰-基因关联分析鉴定出50,957个关联对，其中部分预测增强子已知的功能元件或关键发育基因相关联。此外，通过比对H3K27ac峰的人类直系同源序列，发现神经疾病相关非编码风险变异在特定神经元集群中富集，为解析神经疾病的遗传调控机制提供了表观线索。

图2. 小鼠胚胎发育过程中H3K27ac修饰的空间图谱

为探索大脑皮层发育相关的增强子网络，研究团队将H3K27ac Super-CUT&Tag数据与单细胞转录组数据整合，鉴定出2,245个具有强峰-基因关联的调控染色质结构域（DORCs），其中372个基因与大脑皮层特异性调控峰相关，包括Sox2、Neurod2等关键前脑转录因子。

Neurod2是神经发生的关键命运决定因子，在大脑皮层兴奋性神经元的迁移、分层与形态成熟中发挥作用。研究团队聚焦Neurod2，发现E13.5后Neurod2转录活性随着其基因座处H3K27ac信号的显著增加而出现时序性上调；并在Neurod2基因座附近识别出8个候选增强子，基序富集分析显示这些增强子可能与Pax6、Eomes和Tbr1等已知皮层发育转录因子潜在结合。

值得注意的是，Neurod2可结合E3、E6增强子，且E13.5后这些增强子活性显著升高，这揭示了一种潜在的自调控正反馈机制，可能对维持和精确调控其在皮层神经元发育关键阶段的表达至关重要。

图3. 胚胎发育过程中增强子对Neurod2表达的时空调控

为探究Neurod2表达的空间调控机制，研究团队使用15μm分辨率条形码阵列，对E14.5小鼠胚胎前脑背侧皮层的相邻切片分别进行了H3K27ac分析和RNA-seq。结果显示，H3K27ac和转录组聚类均将前脑背侧皮层细分为三个明确的解剖与功能层：脑室区、中间区以及表层。其中，脑室区高表达Eomes、Pax6，中间区高表达Plxna4、Cntn2，表层区高表达Fezf2、Tbr1。进一步对细胞类型进行注释，鉴定了各层对应的细胞类型，分别为放射状胶质细胞、谷氨酸能神经母细胞、皮层谷氨酸能神经元。

接下来，研究团队分析了Neurod2的表达如何受其潜在调控因子调节，发现其表达从脑室区到表层呈梯度上升，并与H3K27ac活性增强同步。通过整合多组学数据，研究团队发现了Neurod2的时空层级式精准调控网络：早期脑室区由Pax6和Eomes作为启动因子调控其表达；神经元分化至中间区时，Tbr1开始参与调控；到达表层后，Neurod2可结合其自身增强子E6，形成自调控正反馈回路，从而锁定并维持其高表达状态。不同增强子（如E1、E3、E6、E7）在各皮层区域展现差异化的活性模式，共同构成了复杂的调控景观。

拟时间分析进一步验证，随着皮层发育进程，相关调控因子与增强子活性呈规律性变化。该研究为解析脑发育中基因的表观遗传调控提供了重要依据。

图4. 小鼠前脑E14.5的H3K27ac空间修饰与空间转录组

综上所述，Super-CUT&Tag通过将超高密度条形码阵列与3D PAMAM树枝状大分子增强表面相结合，显著提升了DNA捕获效率与信号灵敏度。该方法不仅为发育生物学中基因调控的时空解析提供了强大工具，也为肿瘤异质性、疾病微环境等研究领域开辟了新路径。

参考文献：

https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2025.12.08.692886v1