《細胞》：基因組學研究革命！牛津大學李杭蓬等首次實現單堿基3C技術，重繪基因調控三維藍圖

*僅供醫學專業人士閱讀參考

每一個細胞核的方寸之間，長達近兩米的DNA被精巧地折疊成復雜而有序的三維結構。這種被稱為染色質的空間構象，是決定細胞身份和功能的關鍵：它精確調控著基因在何時、何地被“打開”或“關閉”。

在高等真核生物中，基因的表達常由分布在DNA鏈上、相距遙遠的調控元件（如增強子、啟動子），通過空間接觸來共同決定。過去二十年來，科學家們借助染色質構象捕獲（3C）和超分辨顯微鏡等技術，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“的調控元件，在空間上也可能緊密相鄰。

然而，現有技術存在分辨率瓶頸。常用于解析三維結構的方法，如Hi-C、Micro-C等，都無法捕捉200bp以下的精細結構。這使得我們對基因調控元件的認識，始終停留在“可見”而非“看清”的階段——我們無法在單個轉錄因子結合的精度上，理解蛋白復合物如何形成、調控元件如何相互作用，以及這些相互作用如何精確調控基因表達。

2025年11月5日，牛津大學李杭蓬和James O.J. Davies團隊在

Cell

運用MCCu，團隊以矩陣熱力圖的方式，直觀揭示了啟動子和增強子內部，在核小體缺失區域中存在的復雜拓撲結構。研究發現，在這些區域內，不同轉錄因子結合基序之間，存在著高度特異性的空間鄰近模式。

例如，在小鼠胚胎干細胞的Sox2基因啟動子區，研究人員觀察到POU5F1 (OCT4) 結合位點與KLF家族因子結合位點之間存在強烈的相互作用信號，而該位點與下游的GATA基序則關聯甚弱。這種復雜且微小（<400bp）的三維空間結構，僅在基因活躍的細胞中出現，表明轉錄因子不僅負責識別DNA序列，更在塑造局部三維構象中發揮著關鍵作用。

研究還發現，活躍的啟動子和增強子處的核小體缺失區域，如同天然邊界，將染色質劃分為100-1000bp范圍的“納米結構域”。這些結構域在形態上類似于更高維度的拓撲關聯結構域（TADs），但精細程度提升了數百至上千倍。

Mediator complex曾被廣泛認為是連接增強子與啟動子的結構橋梁。為驗證這一假說，團隊利用dTAG快速降解系統，分別精確移除了Mediator complex的不同核心組分（MED14、MED13和MED1），并通過MCCu等技術觀察其影響。結果顯示：盡管MED14和MED13的降解顯著影響基因轉錄，并破壞了啟動子內部的局部結構，但對增強子-啟動子的遠程接觸影響甚微。這表明Mediator complex的核心功能并非作為遠程物理“橋梁”，而是在啟動子局部，通過穩定轉錄前起始復合物（PIC）的組裝來調控轉錄。

那么，是什么驅動了遠程互作？通過降解關鍵轉錄因子SOX2與NANOG，團隊發現了一個決定性規律：只有當轉錄因子離開，導致核小體缺失區域“塌陷”（即核小體重新占據該區域）時，遠程相互作用才會顯著減弱或消失；若核小體缺失狀態得以維持，遠程接觸則基本保留。這證明，核小體的缺失狀態本身，是驅動調控元件空間接近的核心因素。

為驗證這一機制，團隊采用化學特異性粗粒化分子動力學進行模擬。當輸入實驗測得的DNA序列、核小體位置和組蛋白修飾等參數后，計算模擬成功復現了實驗中觀察到的納米結構域。

分析表明，組蛋白尾部賴氨酸的乙酰化通過中和正電荷，降低了染色質壓縮度。而核小體的驅逐創造了長段柔性且帶高負電荷的游離DNA，其強烈的靜電自排斥削弱了側翼核小體間的吸引力，從而驅動染色質發生相分離并形成納米域，進一步促進開放結構的形成。這些發現證實，染色質本身的生物物理屬性是其納米級結構組織的內在驅動力。

基于這些發現，團隊提出了一個全新模型：線性基因組的折疊由核小體凝聚驅動，形成一個由內而外的層級結構；內部是高度壓縮的核小體核心，外圍是相對開放的乙酰化層，而最外層表面則聚集著被分離出來的核小體缺失區域，并由周圍的乙酰化層穩定核小體蛋白與DNA的差異生物物理特性，驅動線性基因組通過自組裝形成由組蛋白乙酰化調控的納米結構域。核小體凝聚驅動的線性基因組折疊，使核小體缺失區域從高度壓縮的核小體核心和乙酰化層中分離出來，并可能聚集于核小體凝聚體的表面。

這些位于表面區域的活性元件因此更易彼此接觸，也更易被核質中的轉錄機器（如RNA polymerase II、Mediator complex）訪問。它們的相互作用受固有物理屬性和二維表面擴散的限制，呈現高度局部化和相對非特異性。與此同時，CTCF/Cohesin介導著類似TADs在更高維度上的三維基因組結構。

本研究通過開發MCCu這一革命性工具，不僅將三維基因組學推進至單堿基分辨率時代，更通過跨學科整合，揭示了核小體的生物物理屬性在塑造基因組三維結構與功能中的根本性作用。值得一提的是，絕大多數疾病相關的遺傳變異位于非編碼區，其功能機制長期成謎。這項成果為未來精準解析這些變異位點的功能、確定其靶基因，并闡明相關致病機制，奠定了全新的理論基礎與技術范式。

參考文獻：

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

責任編輯丨BioTalker