真核生物的基因表達(dá)受到三維基因組結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控，但這一結(jié)構(gòu)在進(jìn)化長(zhǎng)河中如何起源與演變，長(zhǎng)期懸而未決。過(guò)往研究多局限于親緣關(guān)系較近的少數(shù)物種，難以勾勒出全貌。三維基因組結(jié)構(gòu)是否遵循“結(jié)構(gòu)決定功能”的法則，以及不同生命形式如何利用空間折疊來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的基因調(diào)控，成為演化生物學(xué)中的一個(gè)核心謎題。

2026年4月21日，西安交通大學(xué)葉凱教授團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）雜志上發(fā)表了題為《從1000個(gè)物種中揭示的高階基因組結(jié)構(gòu)演化》（The evolution of high-order genome architecture revealed from 1,000 species）的研究論文。該研究通過(guò)整合分析超過(guò)1000個(gè)物種的Hi-C數(shù)據(jù)，系統(tǒng)繪制了從原核生物到人類(lèi)的三維基因組結(jié)構(gòu)圖譜，首次揭示了植物與動(dòng)物在基因組空間折疊上兩條截然不同的演化路徑。

研究團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)發(fā)了一套新的計(jì)算流程，從海量Hi-C數(shù)據(jù)中成功識(shí)別出兩種全基因組尺度的高階結(jié)構(gòu)：“全局折疊”和“棋盤(pán)格”。全局折疊反映的是染色體在核內(nèi)的整體空間排布，而棋盤(pán)格則代表了活躍染色質(zhì)與非活躍染色質(zhì)之間的分離程度。分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)早期單細(xì)胞生物和共同祖先的基因組結(jié)構(gòu)幾乎是隨機(jī)的。在隨后的演化歷程中，植物走上了強(qiáng)化“全局折疊”的道路，其染色體呈現(xiàn)出顯著的端粒-中心軸聚集模式，這種結(jié)構(gòu)有助于維持細(xì)胞的全能性。相反，動(dòng)物則逐漸發(fā)展出越來(lái)越強(qiáng)的“棋盤(pán)格”結(jié)構(gòu)，尤其是從魚(yú)類(lèi)到爬行動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)，再到哺乳動(dòng)物，代表功能區(qū)隔的棋盤(pán)格模式愈發(fā)清晰，并且與物種的細(xì)胞類(lèi)型數(shù)量和體型等復(fù)雜性指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。

進(jìn)一步研究表明，這兩種結(jié)構(gòu)在功能上存在權(quán)衡，并且?guī)缀跸嗷ヅ懦�。�?dòng)物利用棋盤(pán)格結(jié)構(gòu)將分散在基因組各處的共調(diào)控基因在空間上拉近，從而實(shí)現(xiàn)靈活的協(xié)同表達(dá)，支持細(xì)胞的高度特化。而植物雖然棋盤(pán)格很弱，卻進(jìn)化出了另一套策略：將共表達(dá)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(lèi)胚胎發(fā)育早期會(huì)重演這一演化過(guò)程：從二細(xì)胞期的全局折疊主導(dǎo)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱芘咛ブ谐墒斓钠灞P(pán)格結(jié)構(gòu)。該工作不僅將“結(jié)構(gòu)決定功能”的原理拓展到了更高層級(jí)的基因組組織，也為理解細(xì)胞可塑性、物種演化以及再生醫(yī)學(xué)研究提供了全新的視角。

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