科学家公布的图谱，展示了DNA在人类细胞内如何折叠和移动。图片来源：PIXABAY

在一项近日发表于《自然》的研究中，科学家绘制出迄今最详尽的人类DNA在活细胞中折叠、环绕和移动的图谱，揭示了一个隐藏的遗传控制层面，为了解DNA在活细胞中的运作方式提供了一个新的窗口。

在活细胞中，DNA并不是以直线形式存在的，相反，它会弯曲成环状并在细胞核中形成不同的区域。这种物理排列有助于调控基因的激活或关闭，从而影响发育、细胞特性及患病风险。为了解这种复杂性，美国西北大学的科学家与“4D核组计划”合作，绘制了人类基因组的三维组织方式及其随时间变化的图谱。此前，为深入了解细胞核如何形成结构并发挥功能，美国国立卫生研究院于2015年启动了“4D核组计划”。

研究团队结合多种先进的基因组技术，基于人类胚胎干细胞和成纤维细胞，构建了一个统一且详细的数据库，能够从多个角度捕捉基因组的组织结构。

“了解基因组在三维空间中如何折叠和重组对于理解细胞功能至关重要。这些图谱提供了前所未有的视角，让我们能够了解基因组结构如何在时空尺度上帮助调节基因活性。”论文共同通讯作者、美国西北大学的岳峰（音）说。

这项研究为了解基因如何在细胞生长、发挥功能和分裂过程中相互作用、折叠及改变位置提供了全新视角，有望加快致病基因突变的发现，并揭示遗传性疾病背后的隐藏机制。

该研究揭示了每种细胞类型中的14万多个染色质环，以及锚定这些环的特定元素及其在基因调控中的作用；染色体结构域的详细分类及其在细胞核内的位置；单细胞水平上全基因组的高分辨率三维模型，以及单个基因相对于邻近基因和调控区域的排列方式。这些发现表明，基因组结构在不同细胞之间存在差异。这些差异与转录和DNA复制等基本细胞活动密切相关。

由于没有单一的实验方法能够全面捕捉基因组的四维组织结构，研究人员还比较了所使用技术的优势和局限性。通过广泛的基准分析，他们确定了哪些方法最适合检测环状结构、界定区域边界或发现DNA在细胞核内位置的细微变化。这些信息能够指导该领域未来的研究。

研究团队还开发了计算工具，仅根据DNA序列即可预测基因组折叠方式，无需进行复杂的实验就能预估遗传变异（包括与疾病相关的变异）如何改变基因组三维结构。岳峰表示，这能够加快识别致病突变的速度，并揭示此前难以发现的遗传性疾病背后的生物学机制。

该研究进一步强化了遗传学中的一种日益流行的观点，即仅读取DNA序列是不够的，基因组的物理形态也起着至关重要的作用。该研究使科学家对遗传指令在活细胞内是如何工作的有了更全面的了解。

岳峰希望这些工具未来能帮助研究人员揭示基因组折叠错误是如何导致癌症、发育障碍及其他疾病的，从而基于基因组结构开发出新的诊断策略和治疗方法。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09890-3