Cell | 从看见到看清：李杭蓬等实现首例单碱基3C技术，重绘基因调控三维蓝图

每一个细胞核的方寸之间，长达近两米的DNA被精巧地折叠成复杂而有序的三维结构。这种被称为染色质的空间构象，是决定细胞身份和功能的关键：它精确调控着基因在何时、何地被“打开”或“关闭”。

在高等真核生物中，基因的表达常由分布在DNA链上、相距遥远的调控元件（如增强子、启动子）通过空间接触来共同决定。过去二十年来，科学家们借助染色质构象捕获（3C）和超分辨显微镜等技术，逐步揭示了基因组的三维组织原则：即使线性距离上相隔千里的调控元件，在空间上也可能紧密相邻。

然而，现有技术存在分辨率瓶颈。常用于解析三维结构的方法，如Hi-C、Micro-C等，都无法捕捉200 bp以下的精细结构。这使得我们对基因调控元件的认识始终停留在“可见”而非“看清”的阶段——我们无法在单个转录因子结合的尺度上，理解蛋白复合物如何形成、调控元件如何相互作用，以及这些相互作用如何精确调控基因表达。

2025年11月5日，牛津大学李杭蓬和James O.J. Davies团队在Cell上发表了文章Mapping chromatin structure at base-pair resolution unveils a unified model of cis-regulatory element interactions，开发的Micro Capture-C ultra(MCCu) 技术突破了这一极限。该技术首次实现了单碱基对精度的染色质结构解析，并将三维基因组学、分子动力学模拟与超分辨率成像数据深度融合，揭示了染色质三维构象的深层组织逻辑，为研究基因功能与疾病机制提供了全新视角。

运用MCCu，团队以矩阵热力图的方式直观揭示了启动子和增强子内部，在核小体缺失区域中存在的复杂拓扑结构。研究发现，在这些区域内，不同转录因子结合基序之间存在着高度特异性的空间邻近模式。

例如，在小鼠胚胎干细胞的Sox2基因启动子区，研究人员观察到POU5F1 (OCT4) 结合位点与KLF家族因子结合位点之间存在强烈的相互作用信号，而该位点与下游的GATA基序则关联甚弱。这种复杂且微小（< 400 bp）的三维空间结构仅在基因活跃的细胞中出现，表明转录因子不仅负责识别DNA序列，更在塑造局部三维构象中发挥着关键作用。

研究还发现，活跃的启动子和增强子处的核小体缺失区域，如同天然边界，将染色质划分为100-1000 bp范围的“纳米结构域”。这些结构域在形态上类似于更高维度的拓扑关联结构域（Topologically Associating Domains, TADs），但精细程度提升了数百至上千倍。

Mediator复合物曾被广泛认为是连接增强子与启动子的结构桥梁。为验证这一假说，团队利用dTAG快速降解系统，分别精确移除了Mediator的不同核心组分（MED14、MED13和MED1），并通过MCCu等技术观察其影响。结果显示：尽管MED14和MED13的降解显著影响基因转录，并破坏了启动子内部的局部结构，但对增强子-启动子的远程接触影响甚微。这表明Mediator的核心功能并非作为远程物理“桥梁”，而是在启动子局部，通过稳定转录前起始复合物（PIC）的组装来调控转录。

那么，是什么驱动了远程互作？通过降解关键转录因子SOX2与NANOG，团队发现了一个决定性规律：只有当转录因子离开导致核小体缺失区域“塌陷”（即核小体重新占据该区域）时，远程相互作用才会显著减弱或消失；若核小体缺失状态得以维持，远程接触则基本保留。这证明，核小体的缺失状态本身是驱动调控元件空间接近的核心因素。

为验证这一机制，团队采用化学特异性粗粒化分子动力学进行模拟。当输入实验测得的DNA序列、核小体位置和组蛋白修饰等参数后，计算模拟成功复现了实验中观察到的纳米结构域。

分析表明，组蛋白尾部赖氨酸的乙酰化通过中和正电荷，降低了染色质压缩度。而核小体的驱逐创造了长段柔性且带高负电荷的游离DNA，其强烈的静电自排斥削弱了侧翼核小体间的吸引力，从而驱动染色质发生相分离并形成纳米域，进一步促进开放结构的形成。这些发现证实，染色质本身的生物物理属性是其纳米级结构组织的内在驱动力。

基于这些发现，团队提出了一个全新模型：线性基因组的折叠由核小体凝聚驱动，形成一个由内而外的层级结构：内部是高度压缩的核小体核心，外围是相对开放的乙酰化层，而最外层表面则聚集着被分离出来的核小体缺失区域，并由周围的乙酰化层稳定核小体蛋白与DNA的差异生物物理特性，驱动线性基因组通过自组装形成由组蛋白乙酰化调控的纳米结构域。核小体凝聚驱动的线性基因组折叠，使核小体缺失区域从高度压缩的核小体核心和乙酰化层中分离出来，并可能聚集于核小体凝聚体的表面。

这些位于表面区域的活性元件因此更易彼此接触，也更易被核质中的转录机器（如RNA聚合酶II、Mediator复合物）访问。它们的相互作用受固有物理属性和二维表面扩散的限制，呈现高度局部化和相对非特异性。与此同时，CTCF/coheson介导着类似TADs在更尺度上三维基因组结构。

本研究通过开发MCCu这一革命性工具，不仅将三维基因组学推进至单碱基分辨率时代，更通过跨学科整合，揭示了Biophysical property of nucleosome在塑造基因组三维结构与功能中的根本性作用。值得一提的是，绝大多数疾病相关的遗传变异位于非编码区，其功能机制长期成谜。这项成果为未来精准解析这些变异位点的功能、确定其靶基因，并阐明相关致病机制，奠定了全新的理论基础与技术范式。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.10.013

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！