千种生命，两大架构！西安交大最新Cell：叶凯团队揭秘三维基因组折叠的演化之路

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

构成生命遗传基础的 DNA 不仅仅是一长串二维的线性密码，它们必须在细胞内高度折叠成精妙的三维（3D）结。这种空间布局如何影响基因功能，又在地球生命数十亿年的生命演化中经历了怎样的变迁，目前仍不完全清楚。

2026 年 4 月 21 日，西安交通大学叶凯团队（车一卓为论文第一作者）在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：The evolution of high-order genome architecture revealed from 1,000 species 的研究论文。

这项研究通过对跨越 38 亿年演化史的 1025 个物种进行大规模的 Hi-C 数据分析，首次系统描绘了高阶基因组架构的演化全景图，追踪了基因组组织的演化轨迹——早期的单细胞生命形式大多呈现出随机的基因组结构。在整个植物演化过程中，全局折叠（染色体组型的空间组织）结构成为并一直保持着主要的形态结构。而动物逐渐发展出了更为明显的棋盘格（染色质区室的空间组织）结构；这些结构在早期胚胎发育过程中也很明显，这表明它们是一种保守的基因调控机制。相比之下，植物表现出相对较弱的棋盘格模式，而是倾向于将共调控基因组织成线性基因组簇。

这两种高阶基因组架构（全局折叠、棋盘格）都强化了生物学中的“结构决定功能”这一原则：不同的演化路径最终会趋同于反映基因调控需求的结构解决方案。

超越双螺旋：基因组的“高阶结构”

我们都知道，DNA 的双螺旋结构决定了遗传信息，但这条长长的 DNA 分子链在细胞中并非杂乱无章，而是进一步折叠成复杂的三维（3D）基因组结构。这种“高阶基因组架构”如同城市的规划布局，决定了哪些基因“邻居”可以方便地交流，从而精密调控生命活动。

全基因组染色质构象捕获（Hi-C）技术的出现，彻底改变了我们研究三维基因组折叠如何影响基因调控中的微调能力。Hi-C 技术测量了全基因组中成对位点之间的物理距离，从而生成了一张“接触图”，将基因位点与调控元件联系起来。

然而，尽管取得了这些进展，三维基因组折叠在演化中的作用，我们仍知之甚少，这在很大程度上是由于数据集稀缺，这些数据集通常局限于亲缘关系密切的物种，从而将以往的研究限制在了狭窄的演化谱系内。

而这项由西安交通大学叶凯教授团队领衔的研究，汇集了包括细菌、真菌、植物和动物在内的 1025 个物种的Hi-C数据，构建了迄今为止最全面的生命三维基因组图谱。

两大核心架构：全局折叠与棋盘格

在这项新研究中，研究团队通过开发新的算法NormDis（Normalization to removeDistance-dependent bias）来校正 Hi-C 技术偏差并凸显长程相互作用，研究团队发现了两种在全基因组尺度上反复出现的高阶基因组架构模式：

1、全局折叠（global folding）：描述了整条染色体在细胞核内的空间排布方式。就像一根绳子以特定方式盘绕，染色体的折叠通常由着丝粒和端粒等“锚定点”决定。研究团队识别出了五种主要的染色体内和染色体间的折叠类型。

2、棋盘格（checkerboard）：在标准化图谱上呈现出的规则方格纹理，反映了染色质区室化的空间分隔。在人类和小鼠中，这对应着活跃的 A 区室和沉默的 B 区室。棋盘格的强度反映了不同功能区域彼此分隔的清晰程度。

生命之树的分岔：植物与动物的不同选择

这项研究最有趣的发现在于，不同生命类群在演化道路上对上述两种结构有着鲜明的偏好：

1、植物的选择：强化全局折叠，线性聚集基因。从藻类到开花植物，全局折叠始终是主导架构。植物更倾向于将共同调控的基因在染色体上线性排列成簇，这可能有利于应对环境变化时快速协调基因表达。

2、动物的征程：走向更强的棋盘格化。随着动物从简单到复杂（从海绵、昆虫到脊椎动物），棋盘格结构显著增强。这种区室化能将活跃与不活跃的基因组区域严格分开，为实现更复杂、更精细的基因调控提供了结构基础。该研究还发现，棋盘格强度与生物复杂性（例如细胞类型数量）呈强正相关。

人类胚胎发育的重演

这一演化规律甚至在个体发育中得以“重演”。在人类早期胚胎中，基因组最初也表现出较强的全局折叠特征；随着细胞谱系逐步特化，棋盘格模式才逐渐建立并增强。这暗示了棋盘格结构是细胞分化、实现功能特异化的一种保守机制。

殊途同归：结构决定功能

尽管植物和动物采用了不同的三维基因组组织策略（一个侧重染色体尺度的全局折叠，一个侧重棋盘格化的精细功能区室化），但它们都印证了“结构决定功能”这一生物学核心原则。演化通过不同的路径，找到了适应各自生命需求的空间解决方案。

在演化或发育过程中两种高阶基因组结构之间的权衡取舍

总的来说，这项研究如同绘制了一幅基因组三维结构的“生命地图”，不仅增进了我们对生命设计蓝图的理解，也为未来从三维基因组视角研究发育、进化乃至疾病机制打开了新的大门。生命的复杂性，不仅写在基因的序列里，也刻在它们精妙的折叠中。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.03.042