综述：解密单细胞基因组架构更新：细胞异质性与调控动态的洞见

这篇综述系统梳理了单细胞基因组学技术的最新进展，重点阐释了染色质三维结构（TADs/loops/compartments）、表观遗传修饰与基因调控网络的动态关联。作者深入探讨了单细胞Hi-C（scHi-C）、Dip-C等前沿技术如何揭示细胞周期、胚胎发育中的染色质重组规律，并展望了4D核小体计划（4DN）整合多组学数据解析基因组时空动态的挑战与前景。推荐给从事基因组架构与基因调控研究的读者。

　　

基因组架构研究的范式转变

近年来，基因组学领域正经历从群体细胞分析向单细胞分辨率的革命性跨越。传统Hi-C技术虽能绘制染色质空间互作图谱，但无法捕捉细胞间的异质性。单细胞Hi-C（scHi-C）技术的出现，使得研究者首次在单倍体小鼠胚胎干细胞中观察到拓扑关联域（TAD）的动态形成——这些结构仅在部分细胞中出现，且受CTCF/cohesin复合物调控。4D核小体计划（4DN）通过整合显微成像与测序技术，揭示了染色体在细胞周期中的戏剧性重构：有丝分裂期高度凝缩的染色体在G₁期快速解压缩，而复制时序域（replication timing domains）的边界与TAD高度重合。

技术创新的双刃剑

单细胞分析面临的核心挑战在于数据稀疏性。改良的snHi-C技术通过"拆分-合并"策略将每个细胞的染色质接触点提升10倍，而Dip-C采用多重末端标记扩增（META）技术实现单细胞百万级接触点检测。无连接酶方法如SPRITE和ChIA-Drop通过微流控分选标记染色质复合物，避免了传统Hi-C的假阳性问题。值得注意的是，受精卵中父源与母源基因组呈现截然不同的区室化特征：父源染色体保留A/B区室结构，而母源染色体在成熟卵母细胞中丧失TAD边界，这种不对称性可能源于合子特异的染色质重构。

从静态图谱到动态模型

计算生物学正推动基因组研究进入四维时代。SIMBA3D等算法通过贝叶斯框架将稀疏的scHi-C数据转化为三维结构模型，而Higashi超图神经网络可同时解析多尺度染色质特征。在胚胎发育过程中，超级分辨率染色质追踪技术（STORM/FISH）显示TAD样结构在单个细胞中仍保持纳米级空间分隔，但分化过程中TAD边界变得更具可塑性。令人惊讶的是， cohesin介导的环挤压（loop extrusion）在一细胞期胚胎中即可建立高级染色质结构，而Wapl蛋白缺失会导致染色质环强度在父母本基因组间差异消失。

临床应用与未来挑战

单细胞多组学技术（scNMT-seq）已实现同一细胞中DNA甲基化与染色质互作的联合检测，为癌症异质性研究提供新工具。然而当前技术仍存在明显局限：单细胞Hi-C仅能捕获部分瞬时互作，且缺乏时间分辨率。新兴的活细胞成像技术与CRISPR动态扰动相结合，有望揭示基因组架构如何响应外界刺激。正如作者强调，理解染色质动态如何协调基因表达、DNA修复和细胞命运决定，将是未来十年基因组学研究的圣杯。