人類基因組不再僅僅是可供閱讀的序列。它是一個動態結構，能夠以扭曲、折疊和重組的方式運作，這些變化有助於決定生命在細胞層面的運行方式。西北大學的研究人員在國際4D Nucleome Project的協作下，取得了基因科學的一項重大進展，製作出迄今為止最詳細的人類 DNA 如何隨著時間以三維方式組織的地圖。這項工作前所未有地展示了基因在細胞生長、運作和分裂過程中如何在細胞核內進行物理互動。
研究重點放在兩種關鍵細胞類型上：人類胚胎幹細胞和成纖維細胞，這對於理解細胞發展和行為至關重要。研究人員通過追蹤 DNA 的運動和折疊方式，發現空間組織在調節基因活性中扮演了核心角色。研究的共同作者楊峰表示，理解基因組如何在三維空間中折疊和重組是理解細胞功能的關鍵。這些地圖為我們展示了基因組結構如何在空間和時間上幫助調節基因活性。
DNA 並非僅僅存在於一條線性遺傳密碼中，而是在細胞核內形成環圈、區域和領域。這些物理結構影響著哪些基因被開啟或關閉，進而塑造細胞的身份、發展和疾病進程。為了捕捉這種複雜性，研究團隊將多種先進基因組技術結合成一個統一的數據集。由於沒有單一的方法能完全描述基因組的結構，因此該研究仔細整合了互補的方法，以建立更清晰的圖景。
這項努力揭示了每種細胞類型超過14萬個染色質環，並識別出固定這些環的分子元素及其控制基因調節的機制。研究還對染色體領域進行了全面分類，展示了它們在細胞核內的位置。研究團隊生成了高解析度的三維基因組模型，能夠讓科學家看到單個基因相對於其鄰近基因和調控元素的位置。這些地圖還揭示了基因組架構在不同細胞之間的變異，顯示 DNA 折疊的變化與轉錄和 DNA 複製等基本細胞過程密切相關，幫助解釋為何基因相同的細胞可能會有不同的行為。
除了地圖繪製外，研究人員還評估了不同基因組映射技術的優缺點，為未來探索細胞核組織的研究提供了實用指南。關鍵的是，團隊開發了計算工具，能夠僅根據 DNA 序列預測基因組的折疊方式。這意味著科學家有一天或許能預測與疾病相關的基因變異如何改變基因組結構，而不必進行複雜的實驗室實驗。
由於大多數與人類疾病相關的變異位於基因組的非編碼區域，因此理解這些變異如何影響基本的基因表達並促進疾病至關重要。楊峰指出，三維基因組的組織提供了一個強大的框架，用於預測哪些基因可能會受到這些致病變異的影響。這種方法可能加速疾病致病突變的識別，並揭示遺傳性疾病、癌症和發展性疾病背後的隱藏機制。
展望未來，研究人員希望他們的工作能促進針對基因組架構本身的療法。楊峰提到，觀察到癌症（包括白血病和腦腫瘤）中的三維基因組變化後，下一步的目標是探索如何使用如表觀遺傳抑制劑等藥物精確地針對和調節這些結構。這些研究結果已發表於《自然》期刊。
