《細(xì)胞》：基因組學(xué)研究革命！牛津大學(xué)李杭蓬等首次實(shí)現(xiàn)單堿基3C技術(shù)，重繪基因調(diào)控三維藍(lán)圖

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每一個(gè)細(xì)胞核的方寸之間，長(zhǎng)達(dá)近兩米的DNA被精巧地折疊成復(fù)雜而有序的三維結(jié)構(gòu)。這種被稱(chēng)為染色質(zhì)的空間構(gòu)象，是決定細(xì)胞身份和功能的關(guān)鍵：它精確調(diào)控著基因在何時(shí)、何地被“打開(kāi)”或“關(guān)閉”。

在高等真核生物中，基因的表達(dá)常由分布在DNA鏈上、相距遙遠(yuǎn)的調(diào)控元件（如增強(qiáng)子、啟動(dòng)子），通過(guò)空間接觸來(lái)共同決定。過(guò)去二十年來(lái)，科學(xué)家們借助染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（3C）和超分辨顯微鏡等技術(shù)，逐步揭示了基因組的三維組織原則：即使線性距離上“相隔千里“的調(diào)控元件，在空間上也可能緊密相鄰。

然而，現(xiàn)有技術(shù)存在分辨率瓶頸。常用于解析三維結(jié)構(gòu)的方法，如Hi-C、Micro-C等，都無(wú)法捕捉200bp以下的精細(xì)結(jié)構(gòu)。這使得我們對(duì)基因調(diào)控元件的認(rèn)識(shí)，始終停留在“可見(jiàn)”而非“看清”的階段——我們無(wú)法在單個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的精度上，理解蛋白復(fù)合物如何形成、調(diào)控元件如何相互作用，以及這些相互作用如何精確調(diào)控基因表達(dá)。

2025年11月5日，牛津大學(xué)李杭蓬和James O.J. Davies團(tuán)隊(duì)在

Cell

運(yùn)用MCCu，團(tuán)隊(duì)以矩陣熱力圖的方式，直觀揭示了啟動(dòng)子和增強(qiáng)子內(nèi)部，在核小體缺失區(qū)域中存在的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在這些區(qū)域內(nèi)，不同轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序之間，存在著高度特異性的空間鄰近模式。

例如，在小鼠胚胎干細(xì)胞的Sox2基因啟動(dòng)子區(qū)，研究人員觀察到POU5F1 (OCT4) 結(jié)合位點(diǎn)與KLF家族因子結(jié)合位點(diǎn)之間存在強(qiáng)烈的相互作用信號(hào)，而該位點(diǎn)與下游的GATA基序則關(guān)聯(lián)甚弱。這種復(fù)雜且微小（<400bp）的三維空間結(jié)構(gòu)，僅在基因活躍的細(xì)胞中出現(xiàn)，表明轉(zhuǎn)錄因子不僅負(fù)責(zé)識(shí)別DNA序列，更在塑造局部三維構(gòu)象中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

研究還發(fā)現(xiàn)，活躍的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子處的核小體缺失區(qū)域，如同天然邊界，將染色質(zhì)劃分為100-1000bp范圍的“納米結(jié)構(gòu)域”。這些結(jié)構(gòu)域在形態(tài)上類(lèi)似于更高維度的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（TADs），但精細(xì)程度提升了數(shù)百至上千倍。

Mediator complex曾被廣泛認(rèn)為是連接增強(qiáng)子與啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)橋梁。為驗(yàn)證這一假說(shuō)，團(tuán)隊(duì)利用dTAG快速降解系統(tǒng)，分別精確移除了Mediator complex的不同核心組分（MED14、MED13和MED1），并通過(guò)MCCu等技術(shù)觀察其影響。結(jié)果顯示：盡管MED14和MED13的降解顯著影響基因轉(zhuǎn)錄，并破壞了啟動(dòng)子內(nèi)部的局部結(jié)構(gòu)，但對(duì)增強(qiáng)子-啟動(dòng)子的遠(yuǎn)程接觸影響甚微。這表明Mediator complex的核心功能并非作為遠(yuǎn)程物理“橋梁”，而是在啟動(dòng)子局部，通過(guò)穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）的組裝來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)錄。

那么，是什么驅(qū)動(dòng)了遠(yuǎn)程互作？通過(guò)降解關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SOX2與NANOG，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)決定性規(guī)律：只有當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子離開(kāi)，導(dǎo)致核小體缺失區(qū)域“塌陷”（即核小體重新占據(jù)該區(qū)域）時(shí)，遠(yuǎn)程相互作用才會(huì)顯著減弱或消失；若核小體缺失狀態(tài)得以維持，遠(yuǎn)程接觸則基本保留。這證明，核小體的缺失狀態(tài)本身，是驅(qū)動(dòng)調(diào)控元件空間接近的核心因素。

為驗(yàn)證這一機(jī)制，團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)特異性粗粒化分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬。當(dāng)輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)得的DNA序列、核小體位置和組蛋白修飾等參數(shù)后，計(jì)算模擬成功復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的納米結(jié)構(gòu)域。

分析表明，組蛋白尾部賴(lài)氨酸的乙酰化通過(guò)中和正電荷，降低了染色質(zhì)壓縮度。而核小體的驅(qū)逐創(chuàng)造了長(zhǎng)段柔性且?guī)Ц哓?fù)電荷的游離DNA，其強(qiáng)烈的靜電自排斥削弱了側(cè)翼核小體間的吸引力，從而驅(qū)動(dòng)染色質(zhì)發(fā)生相分離并形成納米域，進(jìn)一步促進(jìn)開(kāi)放結(jié)構(gòu)的形成。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)，染色質(zhì)本身的生物物理屬性是其納米級(jí)結(jié)構(gòu)組織的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

基于這些發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)全新模型：線性基因組的折疊由核小體凝聚驅(qū)動(dòng)，形成一個(gè)由內(nèi)而外的層級(jí)結(jié)構(gòu)；內(nèi)部是高度壓縮的核小體核心，外圍是相對(duì)開(kāi)放的乙酰化層，而最外層表面則聚集著被分離出來(lái)的核小體缺失區(qū)域，并由周?chē)囊阴；瘜臃€(wěn)定核小體蛋白與DNA的差異生物物理特性，驅(qū)動(dòng)線性基因組通過(guò)自組裝形成由組蛋白乙酰化調(diào)控的納米結(jié)構(gòu)域。核小體凝聚驅(qū)動(dòng)的線性基因組折疊，使核小體缺失區(qū)域從高度壓縮的核小體核心和乙酰化層中分離出來(lái)，并可能聚集于核小體凝聚體的表面。

這些位于表面區(qū)域的活性元件因此更易彼此接觸，也更易被核質(zhì)中的轉(zhuǎn)錄機(jī)器（如RNA polymerase II、Mediator complex）訪問(wèn)。它們的相互作用受固有物理屬性和二維表面擴(kuò)散的限制，呈現(xiàn)高度局部化和相對(duì)非特異性。與此同時(shí)，CTCF/Cohesin介導(dǎo)著類(lèi)似TADs在更高維度上的三維基因組結(jié)構(gòu)。

本研究通過(guò)開(kāi)發(fā)MCCu這一革命性工具，不僅將三維基因組學(xué)推進(jìn)至單堿基分辨率時(shí)代，更通過(guò)跨學(xué)科整合，揭示了核小體的生物物理屬性在塑造基因組三維結(jié)構(gòu)與功能中的根本性作用。值得一提的是，絕大多數(shù)疾病相關(guān)的遺傳變異位于非編碼區(qū)，其功能機(jī)制長(zhǎng)期成謎。這項(xiàng)成果為未來(lái)精準(zhǔn)解析這些變異位點(diǎn)的功能、確定其靶基因，并闡明相關(guān)致病機(jī)制，奠定了全新的理論基礎(chǔ)與技術(shù)范式。

參考文獻(xiàn)：

Li et al., Mapping chromatin structure at base-pair resolution unveils a unified model of cis-regulatory element interactions, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.10.013

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