上海
在一个人类细胞核中，约两米长的DNA如何被精准折叠、定位并动态调控？染色质三维结构又如何影响基因表达、DNA复制以及细胞命运？这些核心问题长期困扰着基因组学与细胞生物学领域。
为了系统回答这些问题，美国NIH于2015年正式启动4D Nucleome（4DN）计划，旨在构建描述人类基因组在不同细胞状态、时间维度与单细胞尺度上空间折叠方式的“4D核组”蓝图。该计划分为两个阶段：第一阶段（2 015-2020 ）聚焦于开发和基准评估多种三维基因组技术，并建立统一的分析框架；第二阶段（2 020-2025 ）则侧重整合单细胞、多组学与成像数据，以刻画染色质结构在发育、衰老与疾病中的动态变化。
2025年12月1 7 日，4DN联盟在Nature发表了 其项目 迄今为止最具深度与广度的整合性成果An integrated view of the structure and function of the human 4D nucleome，系统地呈现了人类胚胎干细胞（H1-hESC）与成纤维细胞（HFFc6）的三维基因组组织结构，并建立起跨技术整合的染色质结构特征、核内空间定位与三维模型。此项研究前所未有的在同一种细胞内整合了Hi-C、Micro-C、SPRITE、GAM、ChIA-PET、PLAC-seq、TSA-seq、DamID等多种高通量方法，构建了覆盖范围广、解析度高且跨平台互补的三维基因组数据体系，使研究者得以以前所未有的视角解析染色体折叠、长程调控互作与核内定位之间的结构-功能关系。
论文描绘了一个立体而细致的“人类核组全景图”。研究团队系统比较了不同技术捕获的染色体三维结构特征：SPRITE和Hi-C最适于解析大尺度的A/B分区；Micro-C以超高分辨率捕捉结构性染色质环；ChIA-PET与PLAC-seq对“增强子-启动子”等调控型互作最敏感；SPRITE与GAM则在识别与nuclear speckles、核仁等亚核结构相关的染色质共定位方面具有独特优势。这一系统性的跨平台比较为研究者选择实验策略提供了清晰的路线图，也是本研究的重要贡献之一。
在整合分析层面，团队在每个细胞类型中识别出超过14万条染色质环，涵盖结构性的CTCF介导染色质环以及功能性的“增强子-启动子”互作。研究发现，基因表达水平与其连接的远端增强子数量呈显著正相关；管家基因（housekeeping genes）倾向于与大量增强子发生物理互作，但不同细胞类型使用的增强子组合存在显著差异。此外，cohesin在各类染色质环锚点处普遍富集，进一步支持了染色质环挤压模型（loop extrusion）的普适作用。
为了将染色质三维组织信息转化成可在基因组坐标上浏览与分析的形式，团队利用多模态数据生成了SPIN注释，将核内空间定位以线性方式投射到基因组上。结合染色质区室、拓扑相关结构域（TAD）、DNA复制时序与基因表达等数据，研究揭示了染色质结构与功能之间的深度关联：区室状态的改变与复制时序的变化密切相关，TAD边界富集高表达基因，而TAD本身呈现显著的结构与功能异质性。
在模型构建方面，研究通过整合多平台的互作与定位数据，生成了数千个单细胞三维基因组模型。这些模型真实刻画了细胞之间染色体折叠的差异，并揭示基因相对于nuclear speckles和核膜等亚核结构的位置如何影响其转录活性。这些模型将为未来单细胞组学与成像技术的基准评估提供重要资源。
此外， 研究展示了利用DNA序列预测染色体折叠结构的可行性。团队基于Micro-C数据训练深度学习模型，并通过模拟突变分析（ in silico mutagenesis ）揭示细胞类型特异的转录因子在TAD边界稳定性中的潜在作用。例如，POU2F1-SOX2和FOSL1-JUND分别在干细胞与成纤维细胞中发挥重要作用。这一方向预示着未来利用深度学习与可解释AI技术进行大规模顺式调控元件筛查成为可能，并促进对疾病相关突变的功能预测，从而建立结构变异、调控异常与疾病表型之间的机制联系。
总体而言，本研究构建了一幅内容丰富、整合度高的人类三维基因组蓝图，系统阐释了染色质三维结构、基因调控、核内组织与细胞功能之间的关系。由此生成的多模态数据资源、结构注释与三维模型，将对未来研究发育过程、疾病机制及基因组变异的功能效应产生深远影响。
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09890-3
专题网站：
https://www.nature.com/collections/hdecbdjghd
制版人： 十一
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