在近日一项发表于《自然》的研究中，科学家绘制出迄今最详尽的人类活细胞内DNA折叠、环状缠绕和移动的图谱，展示了基因组结构随时间推移的变化情况，揭示了隐藏的基因调控机制，是了解DNA结构如何塑造人类生物学方面迈出的重要一步。

该研究为了解基因在细胞生长、功能发挥和分裂过程中如何相互作用、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，并揭示遗传疾病背后的隐藏机制。研究人员希望他们开发的工具最终能揭示基因组折叠错误如何导致癌症、发育障碍及其他疾病。

在活细胞中，DNA并非静止不动，它会折叠、形成环状结构并重新排列，调控基因的激活或关闭，从而影响发育、细胞身份识别及患病风险。于是，美国西北大学的科学家与“4D核组计划”合作，试图绘制人类基因组在三维空间中的组织方式及其随时间变化的图谱。“4D核组计划”旨在构建描述人类基因组在不同细胞状态、时间维度与单细胞尺度上空间折叠方式的蓝图。

研究团队结合多种先进基因组技术，基于人类胚胎干细胞和成纤维细胞，构建了一个高度统一且详细的数据库，从多个角度捕捉基因组的组织情况并绘制了图谱。

“了解基因组在三维空间中如何折叠和重组对于理解细胞如何运作至关重要。这些图谱提供了前所未有的视角，让我们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、西北大学教授岳峰说。

该研究揭示了每种细胞类型中超过14万个染色质环、锚定这些环的特定元件及其在基因调控中的作用；染色体区域的详细分类及其在细胞核内的位置；单细胞水平上整个基因组的高分辨率3D模型，以及单个基因相对于附近基因和调控区域的排列方式。研究发现，基因组结构在不同细胞之间存在差异。这些差异与诸如转录和DNA复制等基本细胞活动密切相关。

由于没有一种单一的实验方法能够全面捕捉基因组的四维组织结构，研究人员还对所使用的技术的优势和局限性进行了比较。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、界定域边界或发现DNA在细胞核内定位的细微变化。这些信息能够为该领域的未来研究提供指导。

研究团队还开发了仅根据DNA序列就能预测基因组折叠方式的计算工具，使得研究人员无需进行复杂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，这能够加快致病突变的识别速度，并揭示此前难以检测的遗传性疾病的生物学机制。

该研究进一步证实了遗传学中一种日益流行的观点，即仅读取DNA序列是不够的，基因组物理形态也起着至关重要的作用。该研究使科学家对活细胞内遗传指令如何运作有了进一步且更全面的了解。

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如何导致癌症、发育障碍及其他疾病，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