西安交大葉凱團隊《Cell》：分析千種物種揭示3D基因組進化“分岔路”

真核生物的基因表達受到三維基因組結構的精細調控，但這一結構在進化長河中如何起源與演變，長期懸而未決。過往研究多局限于親緣關系較近的少數物種，難以勾勒出全貌。三維基因組結構是否遵循“結構決定功能”的法則，以及不同生命形式如何利用空間折疊來實現復雜的基因調控，成為演化生物學中的一個核心謎題。

2026年4月21日，西安交通大學葉凱教授團隊在《細胞》（Cell）雜志上發表了題為《從1000個物種中揭示的高階基因組結構演化》（The evolution of high-order genome architecture revealed from 1,000 species）的研究論文。該研究通過整合分析超過1000個物種的Hi-C數據，系統繪制了從原核生物到人類的三維基因組結構圖譜，首次揭示了植物與動物在基因組空間折疊上兩條截然不同的演化路徑。

研究團隊首先開發了一套新的計算流程，從海量Hi-C數據中成功識別出兩種全基因組尺度的高階結構：“全局折疊”和“棋盤格”。全局折疊反映的是染色體在核內的整體空間排布，而棋盤格則代表了活躍染色質與非活躍染色質之間的分離程度。分析發現，絕大多數早期單細胞生物和共同祖先的基因組結構幾乎是隨機的。在隨后的演化歷程中，植物走上了強化“全局折疊”的道路，其染色體呈現出顯著的端粒-中心軸聚集模式，這種結構有助于維持細胞的全能性。相反，動物則逐漸發展出越來越強的“棋盤格”結構，尤其是從魚類到爬行動物、鳥類，再到哺乳動物，代表功能區隔的棋盤格模式愈發清晰，并且與物種的細胞類型數量和體型等復雜性指標呈顯著正相關。

進一步研究表明，這兩種結構在功能上存在權衡，并且幾乎相互排斥。動物利用棋盤格結構將分散在基因組各處的共調控基因在空間上拉近，從而實現靈活的協同表達，支持細胞的高度特化。而植物雖然棋盤格很弱，卻進化出了另一套策略：將共表達基因在染色體上線性排列成緊密的基因簇。此外，研究還觀察到人類胚胎發育早期會重演這一演化過程：從二細胞期的全局折疊主導，逐步轉變為六周胚胎中成熟的棋盤格結構。該工作不僅將“結構決定功能”的原理拓展到了更高層級的基因組組織，也為理解細胞可塑性、物種演化以及再生醫學研究提供了全新的視角。

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