撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

構(gòu)成生命遺傳基礎(chǔ)的 DNA 不僅僅是一長串二維的線性密碼，它們必須在細(xì)胞內(nèi)高度折疊成精妙的三維（3D）結(jié)。這種空間布局如何影響基因功能，又在地球生命數(shù)十億年的生命演化中經(jīng)歷了怎樣的變遷，目前仍不完全清楚。

2026 年 4 月 21 日，西安交通大學(xué)葉凱團(tuán)隊(duì)（車一卓為論文第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：The evolution of high-order genome architecture revealed from 1,000 species 的研究論文。

這項(xiàng)研究通過對跨越 38 億年演化史的 1025 個(gè)物種進(jìn)行大規(guī)模的 Hi-C 數(shù)據(jù)分析，首次系統(tǒng)描繪了高階基因組架構(gòu)的演化全景圖，追蹤了基因組組織的演化軌跡——早期的單細(xì)胞生命形式大多呈現(xiàn)出隨機(jī)的基因組結(jié)構(gòu)。在整個(gè)植物演化過程中，全局折疊（染色體組型的空間組織）結(jié)構(gòu)成為并一直保持著主要的形態(tài)結(jié)構(gòu)。而動(dòng)物逐漸發(fā)展出了更為明顯的棋盤格（染色質(zhì)區(qū)室的空間組織）結(jié)構(gòu)；這些結(jié)構(gòu)在早期胚胎發(fā)育過程中也很明顯，這表明它們是一種保守的基因調(diào)控機(jī)制。相比之下，植物表現(xiàn)出相對較弱的棋盤格模式，而是傾向于將共調(diào)控基因組織成線性基因組簇。

這兩種高階基因組架構(gòu)（全局折疊、棋盤格）都強(qiáng)化了生物學(xué)中的“結(jié)構(gòu)決定功能”這一原則：不同的演化路徑最終會(huì)趨同于反映基因調(diào)控需求的結(jié)構(gòu)解決方案。

超越雙螺旋：基因組的“高階結(jié)構(gòu)”

我們都知道，DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)決定了遺傳信息，但這條長長的 DNA 分子鏈在細(xì)胞中并非雜亂無章，而是進(jìn)一步折疊成復(fù)雜的三維（3D）基因組結(jié)構(gòu)。這種“高階基因組架構(gòu)”如同城市的規(guī)劃布局，決定了哪些基因“鄰居”可以方便地交流，從而精密調(diào)控生命活動(dòng)。

全基因組染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（Hi-C）技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了我們研究三維基因組折疊如何影響基因調(diào)控中的微調(diào)能力。Hi-C 技術(shù)測量了全基因組中成對位點(diǎn)之間的物理距離，從而生成了一張“接觸圖”，將基因位點(diǎn)與調(diào)控元件聯(lián)系起來。

然而，盡管取得了這些進(jìn)展，三維基因組折疊在演化中的作用，我們?nèi)灾跎?，這在很大程度上是由于數(shù)據(jù)集稀缺，這些數(shù)據(jù)集通常局限于親緣關(guān)系密切的物種，從而將以往的研究限制在了狹窄的演化譜系內(nèi)。

而這項(xiàng)由西安交通大學(xué)葉凱教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的研究，匯集了包括細(xì)菌、真菌、植物和動(dòng)物在內(nèi)的 1025 個(gè)物種的Hi-C數(shù)據(jù)，構(gòu)建了迄今為止最全面的生命三維基因組圖譜。

兩大核心架構(gòu)：全局折疊與棋盤格

在這項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)新的算法NormDis（Normalization to removeDistance-dependent bias）來校正 Hi-C 技術(shù)偏差并凸顯長程相互作用，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了兩種在全基因組尺度上反復(fù)出現(xiàn)的高階基因組架構(gòu)模式：

1、全局折疊（global folding）：描述了整條染色體在細(xì)胞核內(nèi)的空間排布方式。就像一根繩子以特定方式盤繞，染色體的折疊通常由著絲粒和端粒等“錨定點(diǎn)”決定。研究團(tuán)隊(duì)識(shí)別出了五種主要的染色體內(nèi)和染色體間的折疊類型。

2、棋盤格（checkerboard）：在標(biāo)準(zhǔn)化圖譜上呈現(xiàn)出的規(guī)則方格紋理，反映了染色質(zhì)區(qū)室化的空間分隔。在人類和小鼠中，這對應(yīng)著活躍的 A 區(qū)室和沉默的 B 區(qū)室。棋盤格的強(qiáng)度反映了不同功能區(qū)域彼此分隔的清晰程度。

生命之樹的分岔：植物與動(dòng)物的不同選擇

這項(xiàng)研究最有趣的發(fā)現(xiàn)在于，不同生命類群在演化道路上對上述兩種結(jié)構(gòu)有著鮮明的偏好：

1、植物的選擇：強(qiáng)化全局折疊，線性聚集基因。從藻類到開花植物，全局折疊始終是主導(dǎo)架構(gòu)。植物更傾向于將共同調(diào)控的基因在染色體上線性排列成簇，這可能有利于應(yīng)對環(huán)境變化時(shí)快速協(xié)調(diào)基因表達(dá)。

2、動(dòng)物的征程：走向更強(qiáng)的棋盤格化。隨著動(dòng)物從簡單到復(fù)雜（從海綿、昆蟲到脊椎動(dòng)物），棋盤格結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)。這種區(qū)室化能將活躍與不活躍的基因組區(qū)域嚴(yán)格分開，為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更精細(xì)的基因調(diào)控提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該研究還發(fā)現(xiàn)，棋盤格強(qiáng)度與生物復(fù)雜性（例如細(xì)胞類型數(shù)量）呈強(qiáng)正相關(guān)。

人類胚胎發(fā)育的重演

這一演化規(guī)律甚至在個(gè)體發(fā)育中得以“重演”。在人類早期胚胎中，基因組最初也表現(xiàn)出較強(qiáng)的全局折疊特征；隨著細(xì)胞譜系逐步特化，棋盤格模式才逐漸建立并增強(qiáng)。這暗示了棋盤格結(jié)構(gòu)是細(xì)胞分化、實(shí)現(xiàn)功能特異化的一種保守機(jī)制。

殊途同歸：結(jié)構(gòu)決定功能

盡管植物和動(dòng)物采用了不同的三維基因組組織策略（一個(gè)側(cè)重染色體尺度的全局折疊，一個(gè)側(cè)重棋盤格化的精細(xì)功能區(qū)室化），但它們都印證了“結(jié)構(gòu)決定功能”這一生物學(xué)核心原則。演化通過不同的路徑，找到了適應(yīng)各自生命需求的空間解決方案。

在演化或發(fā)育過程中兩種高階基因組結(jié)構(gòu)之間的權(quán)衡取舍

總的來說，這項(xiàng)研究如同繪制了一幅基因組三維結(jié)構(gòu)的“生命地圖”，不僅增進(jìn)了我們對生命設(shè)計(jì)藍(lán)圖的理解，也為未來從三維基因組視角研究發(fā)育、進(jìn)化乃至疾病機(jī)制打開了新的大門。生命的復(fù)雜性，不僅寫在基因的序列里，也刻在它們精妙的折疊中。

論文鏈接：

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