新4D基因组图谱揭示细胞分裂时基因如何折叠、交互与重组

科学家绘制出迄今最详细的人类DNA三维动态图谱，揭示其在细胞内的折叠、移动及调控机制。

人类基因组不再只是一串待解读的序列，它已成为一种动态结构——通过扭曲、折叠与重塑自身，在细胞层面决定生命体的运作方式。近期遗传学研究取得重大突破：西北大学研究人员与国际"4D核小体计划"合作，绘制出迄今最详细的人类DNA三维时空动态组织图谱。

该成果以前所未有的视角，揭示了细胞生长、功能执行与分裂过程中，细胞核内基因如何进行物理交互。研究聚焦人类胚胎干细胞与成纤维细胞这两种理解发育与细胞行为的关键细胞类型。通过追踪DNA的移动与折叠，研究人员发现空间组织在基因活性调控中起着核心作用。

"理解基因组如何在三维空间折叠与重组，对认知细胞功能至关重要。"该研究的共同通讯作者冯跃（音）表示，"这些图谱让我们首次看清基因组结构如何在时空维度调控基因活性。"在细胞核内，DNA并非以线性链条形式存在，而是会形成染色质环、区室与结构域。这些物理结构直接调控基因的开关，塑造细胞身份、决定发育进程并影响疾病发展。

从折叠到功能

为捕捉这种复杂性，研究团队将多种先进基因组技术整合到统一数据集中。由于单一方法无法完整描述基因组结构，研究通过互补技术整合勾勒出更清晰的图谱。该工作在每个细胞类型中识别出超过14万个染色质环，锁定了锚定这些环并控制基因调控的分子元件，还对染色体结构域进行了全面分类，明确其在细胞核内的空间定位。

研究生成了单细胞级别的高分辨率三维基因组模型，使科学家能观察单个基因与相邻基因及调控元件的相对位置，同时揭示不同细胞间基因组架构的差异。这些发现表明，DNA折叠变化与转录、DNA复制等关键细胞过程紧密关联，解释了为何基因相同的细胞会表现出迥异的行为。

通过结构预测疾病

除绘制图谱外，研究人员还评估了不同基因组测绘技术的优势与局限，为未来探索细胞核组织的研究提供了实用指南。尤为关键的是，团队开发出仅通过DNA序列即可预测基因组折叠方式的计算工具。这意味着未来科学家或能无需复杂实验即可预测基因变异（尤其是致病性变异）如何改变基因组结构。

"由于人类疾病相关变异大多位于基因组的非编码区，理解这些变异如何影响关键基因表达并导致疾病至关重要。"冯跃指出，"三维基因组结构为预测哪些基因可能受致病性变异影响提供了强大框架。"该方法有望加速致病突变的鉴定，揭示遗传病、癌症及发育障碍背后的隐藏机制。

展望未来，研究者希望这项成果能为靶向基因组结构的疗法铺平道路。"在观察到白血病、脑肿瘤等癌症中的三维基因组改变后，我们的下一个目标是探索如何利用表观遗传抑制剂等药物精准靶向调控这些结构。"冯跃透露。

该研究成果已发表于《自然》杂志。

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