千種生命，兩大架構！西安交大最新Cell：葉凱團隊揭秘三維基因組折疊的演化之路

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

構成生命遺傳基礎的 DNA 不僅僅是一長串二維的線性密碼，它們必須在細胞內高度折疊成精妙的三維（3D）結。這種空間布局如何影響基因功能，又在地球生命數十億年的生命演化中經歷了怎樣的變遷，目前仍不完全清楚。

2026 年 4 月 21 日，西安交通大學葉凱團隊（車一卓為論文第一作者）在國際頂尖學術期刊Cell上發表了題為：The evolution of high-order genome architecture revealed from 1,000 species 的研究論文。

這項研究通過對跨越 38 億年演化史的 1025 個物種進行大規模的 Hi-C 數據分析，首次系統描繪了高階基因組架構的演化全景圖，追蹤了基因組組織的演化軌跡——早期的單細胞生命形式大多呈現出隨機的基因組結構。在整個植物演化過程中，全局折疊（染色體組型的空間組織）結構成為并一直保持著主要的形態結構。而動物逐漸發展出了更為明顯的棋盤格（染色質區室的空間組織）結構；這些結構在早期胚胎發育過程中也很明顯，這表明它們是一種保守的基因調控機制。相比之下，植物表現出相對較弱的棋盤格模式，而是傾向于將共調控基因組織成線性基因組簇。

這兩種高階基因組架構（全局折疊、棋盤格）都強化了生物學中的“結構決定功能”這一原則：不同的演化路徑最終會趨同于反映基因調控需求的結構解決方案。

超越雙螺旋：基因組的“高階結構”

我們都知道，DNA 的雙螺旋結構決定了遺傳信息，但這條長長的 DNA 分子鏈在細胞中并非雜亂無章，而是進一步折疊成復雜的三維（3D）基因組結構。這種“高階基因組架構”如同城市的規劃布局，決定了哪些基因“鄰居”可以方便地交流，從而精密調控生命活動。

全基因組染色質構象捕獲（Hi-C）技術的出現，徹底改變了我們研究三維基因組折疊如何影響基因調控中的微調能力。Hi-C 技術測量了全基因組中成對位點之間的物理距離，從而生成了一張“接觸圖”，將基因位點與調控元件聯系起來。

然而，盡管取得了這些進展，三維基因組折疊在演化中的作用，我們仍知之甚少，這在很大程度上是由于數據集稀缺，這些數據集通常局限于親緣關系密切的物種，從而將以往的研究限制在了狹窄的演化譜系內。

而這項由西安交通大學葉凱教授團隊領銜的研究，匯集了包括細菌、真菌、植物和動物在內的 1025 個物種的Hi-C數據，構建了迄今為止最全面的生命三維基因組圖譜。

兩大核心架構：全局折疊與棋盤格

在這項新研究中，研究團隊通過開發新的算法NormDis（Normalization to removeDistance-dependent bias）來校正 Hi-C 技術偏差并凸顯長程相互作用，研究團隊發現了兩種在全基因組尺度上反復出現的高階基因組架構模式：

1、全局折疊（global folding）：描述了整條染色體在細胞核內的空間排布方式。就像一根繩子以特定方式盤繞，染色體的折疊通常由著絲粒和端粒等“錨定點”決定。研究團隊識別出了五種主要的染色體內和染色體間的折疊類型。

2、棋盤格（checkerboard）：在標準化圖譜上呈現出的規則方格紋理，反映了染色質區室化的空間分隔。在人類和小鼠中，這對應著活躍的 A 區室和沉默的 B 區室。棋盤格的強度反映了不同功能區域彼此分隔的清晰程度。

生命之樹的分岔：植物與動物的不同選擇

這項研究最有趣的發現在于，不同生命類群在演化道路上對上述兩種結構有著鮮明的偏好：

1、植物的選擇：強化全局折疊，線性聚集基因。從藻類到開花植物，全局折疊始終是主導架構。植物更傾向于將共同調控的基因在染色體上線性排列成簇，這可能有利于應對環境變化時快速協調基因表達。

2、動物的征程：走向更強的棋盤格化。隨著動物從簡單到復雜（從海綿、昆蟲到脊椎動物），棋盤格結構顯著增強。這種區室化能將活躍與不活躍的基因組區域嚴格分開，為實現更復雜、更精細的基因調控提供了結構基礎。該研究還發現，棋盤格強度與生物復雜性（例如細胞類型數量）呈強正相關。

人類胚胎發育的重演

這一演化規律甚至在個體發育中得以“重演”。在人類早期胚胎中，基因組最初也表現出較強的全局折疊特征；隨著細胞譜系逐步特化，棋盤格模式才逐漸建立并增強。這暗示了棋盤格結構是細胞分化、實現功能特異化的一種保守機制。

殊途同歸：結構決定功能

盡管植物和動物采用了不同的三維基因組組織策略（一個側重染色體尺度的全局折疊，一個側重棋盤格化的精細功能區室化），但它們都印證了“結構決定功能”這一生物學核心原則。演化通過不同的路徑，找到了適應各自生命需求的空間解決方案。

在演化或發育過程中兩種高階基因組結構之間的權衡取舍

總的來說，這項研究如同繪制了一幅基因組三維結構的“生命地圖”，不僅增進了我們對生命設計藍圖的理解，也為未來從三維基因組視角研究發育、進化乃至疾病機制打開了新的大門。生命的復雜性，不僅寫在基因的序列里，也刻在它們精妙的折疊中。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.03.042