人类基因组中内含子、基因间片段和外显子的几何编码定位

《Advanced Science》：Geometrically Encoded Positioning of Introns, Intergenic Segments, and Exons in the Human Genome

该研究提出染色质通过三维几何结构（包装域，PD）形成转录记忆，其中异染色质核心、转录活跃的中间带和 euchromatin 外围构成统一反应体积。实验表明，基因exon与non-exon（ introns和intergenic segments）的长度比例符合幂律分布，且基因体通过non-exon元素的空间几何耦合实现高效转录。该模型解释了表观遗传标记分布、转录活性区域定位及癌症突变热点关联，并揭示多细胞生物复杂身体计划的进化可能源于核内几何结构的优化重组。

　　人类组织需要一种机制来生成持久但可修改的转录记忆，以维持细胞功能贯穿整个生命周期。此前，研究表明纳米尺度的打包域将异染色质（核心）和常染色质（外层区域）组合成统一的反应体积，从而产生转录记忆。在先前的工作中，该框架表明RNA合成发生在打包域的中间密度区域。这自然引发了一个问题：基因在打包域结构中的位置以及哪些遗传物质填充了域核心以维持转录。本文提出，这可以通过内含子、基因间区段和外显子的编码定位来解决，作为打包域功能层的投影。这表明内含子和基因间区段与相邻的外显子耦合，以生成协调的打包域体积。这种组织如何调和表观遗传模式的矛盾、非随机的致癌突变以及生成持久的转录记忆，本文进行了探讨。研究结论表明，这种基因组几何结构可能与身体计划复杂性的快速进化相吻合，暗示染色质几何可能是后生动物进化的基本要素。

### 基因组的结构与功能

尽管多细胞生物体中的细胞共享相同的基因组，但它们能够分化为数百种不同的细胞类型。甚至同一谱系的细胞也可以执行不同的功能，其变化时间跨度从几分钟到几十年不等，而许多疾病状态则源于基因表达的改变。一个核心问题在于，遗传信息如何在发育、衰老和疾病过程中产生多样且动态的细胞表型。染色质，即DNA及其相关结合蛋白，通常被认为是这些过程的机制。许多序列依赖的染色质-转录调控元件已被广泛研究，包括增强子、启动子、绝缘子、沉默子等。这些研究提供了对转录调控的显著见解。结合成像和多组学数据，一个新兴的观点是染色质在细胞核内组织成紧密的结构。为了测量纳米尺度的物理结构，电子显微镜（EM）长期以来被视为金标准。然而，早期的EM研究受限于对比剂的非特异性结合。尽管如此，研究发现染色质组织成高密度（通常位于细胞核外围）和低密度（通常位于细胞核内部）的区域。这些发现与扩散受限显微镜方法的观察相一致，并在分子图谱扩展后帮助形成了当前对染色质分区的了解。在当前的框架中，染色质组织成活跃（A-，细胞核内部）和非活跃（B-，细胞核外围）的微米级（兆碱基对）隔间。生成这种组织的机制在时间上不断发展，包括分层组装、分形球、环状挤出和液-液相分离（LLPS）等几种主要模型。

然而，即使B-隔间富含与转录减少相关的异染色质标记（如H3K9me3、H3K27me3），A-隔间也不是完全缺乏这些标记。事实上，B-隔间和细胞核外围均观察到活跃的RNA合成。这些发现对理解不同细胞状态如何产生、维持和中断具有潜在的临床意义。与神经元去特化的相关模型表明，异染色质的丢失并不一定导致转录激活，反而可能导致进一步的损伤。同样，卵巢癌干细胞中的转录可塑性似乎依赖于内含子和基因间区段内的异染色质沉积。在现有的染色质结构-功能框架中，这些观察结果难以解释。一个可能的解决方案是利用新兴的ChromEM/ChromSTEM技术来解决传统染色质成像技术的局限性。

在ChromEM成像中，测得的对比度与DNA密度成正比，从而恢复了染色质打包的真实信息，其长度范围从2纳米（几对碱基）到数微米（兆碱基对）。与之前的EM方法相比，ChromEM展示了染色质从珠链结构过渡到5–20纳米的无序链，然后进入3D打包域（PD）体积，这些体积具有不同的大小和打包效率分布。PD的一个显著观察结果是高密度和低密度区域被统一的反应体积所耦合，表明异染色质和常染色质被打包在一起。由于ChromSTEM缺乏序列特异性信息，有必要将ChromEM模态与分子特异性成像模态（超分辨率成像）、分子技术（Hi-C、ChIP-Seq、RNA-Seq、ATAC-seq等）以及多尺度建模相结合。使用这种综合方法，研究确认了ChromSTEM成像中观察到的PD代表统一的体积，将异染色质和常染色质结合在一起。机制研究表明PD可以通过转录、凝聚素和核小体重塑酶之间的相互作用自组装。可以将这种自组装视为对之前观察到的LLPS凝聚体和环状挤出的补充。LLPS和环状挤出模型已经解释了纳米尺度域的大小以及异染色质和常染色质在其中的优选富集。例如，在LLPS模型中，异染色质段的分离速率取决于核小体本身的反应因素，包括酶浓度、分子拥挤和染色质密度，这些因素会改变平衡，导致异染色质凝聚体的扩展，而其外部则受到乙酰化限制。

PD自组装建立在对环状挤出和LLPS的理解之上，同时引入了一种通过生成的体积进行转录介导的细胞记忆编码的机制。这是因为转录过程会生成环（强制返回或“环状物”），这些环会在局部形成连续的密度梯度，从而在空间上引导核小体重塑酶的位置，基于其大小（异染色质酶≈2纳米，常染色质酶≈6纳米）。这会导致异染色质紧密地沉积在域核心，而逐渐向外减少。这种逐渐的衰减会产生一个中间的“理想”区域，以最优位置排列RNA聚合酶II（Pol-II）和转录因子。结合建模和超分辨率成像，我们展示了这种高效的打包——将异染色质沉积到核心——如何增加在理想密度区域的转录输出。正是通过这一机制，一个信号过程可以产生一种“转录记忆”，即使初始信号消失后也能持续存在。尽管转录似乎偏好于中间的“理想”区域，但问题仍然存在：这种几何系统的信息如何在人类基因组中存储。

我们应用这些PD自组装的原则来研究肌肉分化，观察到Myh1和Myh2基因的外显子激活与内含子和基因间区段内的异染色质沉积相关。自然地，我们想知道这一观察是否提供了基因在打包域结构中的几何系统：内含子和基因间区段通过某种方式生成PD体积，以将外显子定位到理想区域。使用肌肉生成作为模型系统，我们惊讶地发现，在肌肉分化中，有60%的差异表达基因（log fold 2 >1，调整后的p值 <0.05；n = 2381）与内含子区段的可及性降低相关（图1a-c）。这与外显子区段的可及性相比形成了鲜明的对比，后者通常保持稳定（图1b,c）。有趣的是，转录稳定基因（-0.25< log fold 2 <0.25，调整后的p值 >0.5；n = 2350）在内含子区段中表现出可及性损失，但程度不如转录激活基因（图S1，补充信息）。鉴于这一发现，我们接着分析了在人类组织中，异染色质是否存在于内含子区段与活跃转录之间的共同体积中，通过分析ENCODE的数据。在多种组织中，关键功能基因包含与活跃转录外显子相邻的异染色质（图1d）。例如，在人类心脏样本中，H3K9me3（一种标志性的异染色质标记）沉积在TNNI3（心肌肌钙蛋白）中。这种双等位基因表达的基因在整个生命周期内必须被转录以维持心脏收缩性（图S2，补充信息）。

### 基因组的几何结构

我们提出一个激进的假设——描述在本文中——即纳米尺度的打包几何结构是通过外显子、内含子和基因间区段的定位作为打包域功能层的投影来编码的。这将内含子和基因间区段与相邻的外显子耦合，以生成协调的打包域体积。这种假设需要验证其有效性，因为这需要先进的ChromSTEM成像技术来定位特定的基因段，而目前的技术尚无法实现这一点。然而，我们提供了来自新生RNA测序、ChIP-Seq、ATAC-Seq、配对端标签测序（ChiaPET）和ChromSTEM成像的共相关实验证据来支持这一假设。虽然这些描述尚未被机制性证明，但它们表明这些特性可能与DNA的几何结构有关，而不仅仅是序列。

### 基因组几何的临床意义

本文的研究结果具有潜在的临床意义。首先，研究发现，基因组的几何结构与疾病状态密切相关。例如，肿瘤的发生可能与基因组中某些区域的异常几何结构有关，这些区域可能成为突变的热点。研究还表明，基因组的几何结构可能与细胞分化和组织特异性相关，这在理解癌症的发生和发展方面具有重要意义。此外，研究还发现，某些基因在维持分化组织功能中起关键作用，其几何结构可能与这些功能相关。例如，某些基因在维持组织功能中可能占据特定的几何位置，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。

### 基因组几何的进化意义

研究还探讨了基因组几何结构在进化中的作用。提出基因组几何结构可能与后生动物（metazoans）的进化相关，因为它可能提供了一种非突变的系统来增加信息采样，基于物理特性。这一假设得到了支持，因为研究发现，某些基因的几何结构可能与它们在维持分化组织功能中的作用相关。例如，某些基因可能在维持组织功能中占据特定的几何位置，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。

### 基因组几何的生物学意义

研究还探讨了基因组几何结构在生物学中的意义。首先，基因组几何结构可能与细胞分化和功能执行有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。其次，基因组几何结构可能与细胞核内的空间组织有关。例如，某些基因可能在细胞核内占据特定的位置，而其他基因则可能在不同的位置。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。

### 基因组几何的未来研究方向

研究还提出了几个未来的研究方向。首先，基因组几何结构可能与某些疾病的发病机制有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。其次，基因组几何结构可能与细胞核内的空间组织有关。例如，某些基因可能在细胞核内占据特定的位置，而其他基因则可能在不同的位置。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第三，基因组几何结构可能与某些基因的突变频率有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的突变频率。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第四，基因组几何结构可能与某些基因的表达模式有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的表达模式。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。

### 基因组几何的多组学验证

研究还通过多组学方法验证了基因组几何结构的假设。例如，通过ChIP-Seq、ATAC-Seq、RNA-Seq和Hi-C等技术，研究了基因组中不同区域的染色质状态。这些数据支持了基因组几何结构的假设，表明外显子、内含子和基因间区段的定位与打包域的几何结构密切相关。此外，研究还通过ChromSTEM成像和建模验证了这一假设，表明PD体积确实存在于细胞核内，并且与转录活动密切相关。这些发现表明，基因组的几何结构可能是一种非突变的系统，用于增加信息采样，基于物理特性。

### 基因组几何的临床应用

研究还探讨了基因组几何结构在临床中的应用。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。此外，研究还发现，某些基因的几何结构可能与它们在维持分化组织功能中的作用有关，这可能对理解某些疾病的发病机制具有重要意义。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。

### 基因组几何的未来研究方向

研究还提出了几个未来的研究方向。首先，基因组几何结构可能与某些疾病的发病机制有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。其次，基因组几何结构可能与细胞核内的空间组织有关。例如，某些基因可能在细胞核内占据特定的位置，而其他基因则可能在不同的位置。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第三，基因组几何结构可能与某些基因的突变频率有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的突变频率。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第四，基因组几何结构可能与某些基因的表达模式有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的表达模式。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。

### 基因组几何的生物学意义

研究还探讨了基因组几何结构在生物学中的意义。首先，基因组几何结构可能与细胞分化和功能执行有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。其次，基因组几何结构可能与细胞核内的空间组织有关。例如，某些基因可能在细胞核内占据特定的位置，而其他基因则可能在不同的位置。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第三，基因组几何结构可能与某些基因的突变频率有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的突变频率。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第四，基因组几何结构可能与某些基因的表达模式有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的表达模式。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。

### 基因组几何的多组学验证

研究还通过多组学方法验证了基因组几何结构的假设。例如，通过ChIP-Seq、ATAC-Seq、RNA-Seq和Hi-C等技术，研究了基因组中不同区域的染色质状态。这些数据支持了基因组几何结构的假设，表明外显子、内含子和基因间区段的定位与打包域的几何结构密切相关。此外，研究还通过ChromSTEM成像和建模验证了这一假设，表明PD体积确实存在于细胞核内，并且与转录活动密切相关。这些发现表明，基因组的几何结构可能是一种非突变的系统，用于增加信息采样，基于物理特性。

### 基因组几何的临床应用

研究还探讨了基因组几何结构在临床中的应用。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。此外，研究还发现，某些基因的几何结构可能与它们在维持分化组织功能中的作用有关，这可能对理解某些疾病的发病机制具有重要意义。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。

### 基因组几何的未来研究方向

研究还提出了几个未来的研究方向。首先，基因组几何结构可能与某些疾病的发病机制有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。其次，基因组几何结构可能与细胞核内的空间组织有关。例如，某些基因可能在细胞核内占据特定的位置，而其他基因则可能在不同的位置。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第三，基因组几何结构可能与某些基因的突变频率有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的突变频率。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第四，基因组几何结构可能与某些基因的表达模式有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的表达模式。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。

### 基因组几何的生物学意义

研究还探讨了基因组几何结构在生物学中的意义。首先，基因组几何结构可能与细胞分化和功能执行有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。其次，基因组几何结构可能与细胞核内的空间组织有关。例如，某些基因可能在细胞核内占据特定的位置，而其他基因则可能在不同的位置。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第三，基因组几何结构可能与某些基因的突变频率有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的突变频率。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第四，基因组几何结构可能与某些基因的表达模式有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的表达模式。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。

### 基因组几何的多组学验证

研究还通过多组学方法验证了基因组几何结构的假设。例如，通过ChIP-Seq、ATAC-Seq、RNA-Seq和Hi-C等技术，研究了基因组中不同区域的染色质状态。这些数据支持了基因组几何结构的假设，表明外显子、内含子和基因间区段的定位与打包域的几何结构密切相关。此外，研究还通过ChromSTEM成像和建模验证了这一假设，表明PD体积确实存在于细胞核内，并且与转录活动密切相关。这些发现表明，基因组的几何结构可能是一种非突变的系统，用于增加信息采样，基于物理特性。

### 基因组几何的临床应用

研究还探讨了基因组几何结构在临床中的应用。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。此外，研究还发现，某些基因的几何结构可能与它们在维持分化组织功能中的作用有关，这可能对理解某些疾病的发病机制具有重要意义。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。

### 基因组几何的未来研究方向

研究还提出了几个未来的研究方向。首先，基因组几何结构可能与某些疾病的发病机制有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的几何结构。这些发现可能为理解不同组织中的基因表达模式提供新的视角。其次，基因组几何结构可能与细胞核内的空间组织有关。例如，某些基因可能在细胞核内占据特定的位置，而其他基因则可能在不同的位置。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第三，基因组几何结构可能与某些基因的突变频率有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的突变频率。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。第四，基因组几何结构可能与某些基因的表达模式有关。例如，某些基因可能在维持分化组织功能中起关键作用，而其他基因则可能在不同组织中具有不同的表达模式。这些发现可能为理解基因组的物理结构和功能提供新的视角。