综述：三维基因组测序技术的十五年发展历程：过去、现在与未来

这篇综述系统梳理了三维（3D）基因组生物学领域15年来的技术突破与前沿进展。从Hi-C、ChIA-PET等高通量测序技术的开创性应用，到染色质高阶结构（如区室、拓扑关联域TADs和染色质环）的发现，文章深入探讨了CTCF和黏连蛋白（cohesin）等核心架构蛋白的作用机制，并展望了单细胞分析与多组学整合如何推动对基因组动态调控的认知。

　　

Highlights

染色体在细胞核内的折叠机制——尤其是区室（compartments）、拓扑关联域（TADs）和染色质环等高阶结构的发现——彻底改变了人们对基因组功能的理解。CTCF结合因子与黏连蛋白复合体被证实是调控三维基因组架构的核心蛋白。多组学整合分析正揭示细胞特异性转录程序的调控规律，而单细胞技术则为解析基因组组织的异质性提供了全新视角。

Abstract

基因组通过与核蛋白及RNA结合形成染色质复合体，其动态空间结构深刻影响基因功能。自2009年Hi-C和ChIA-PET技术问世以来，三维基因组生物学经历了爆发式发展。这些技术首次实现了全基因组尺度染色质互作图谱的绘制，揭示了核内基因组折叠的基本规律。如今，该领域已建立起包括染色质区室化、TAD层级结构和染色质环等核心理论框架，并逐步阐明这些结构如何通过CTCF-cohesin复合体等分子机器调控基因表达。

技术革命与架构解密

Hi-C技术的诞生标志着三维基因组研究的起点。通过甲醛交联捕获染色质空间邻近的DNA片段，结合高通量测序与生物信息学分析，研究者首次绘制出全基因组互作图谱。随后发展的ChIA-PET技术通过特异性富集蛋白结合的染色质互作，揭示了CTCF和黏连蛋白在染色质环形成中的关键作用。这些突破性技术共同证明：哺乳动物基因组在细胞核内并非随机分布，而是形成明确的空间分区——A/B区室对应活跃/沉默染色质，TADs作为稳定的功能单元，而染色质环则介导增强子-启动子的特异性互作。

分子机制与调控网络

CTCF蛋白因其绝缘子功能被称为"基因组建筑师"，它与黏连蛋白复合体协同作用，通过"环挤出"模型动态调控染色质环的形成。研究表明，CTCF结合位点的方向性决定了环的边界，而黏连蛋白的ATP酶活性则驱动染色质纤维的主动挤出过程。这些发现不仅解释了TAD边界的形成机制，更为疾病相关的基因组结构变异提供了分子解释——例如CTCF结合位点的突变可导致TAD边界破坏，进而引发发育障碍或癌症。

前沿方向与挑战

单细胞Hi-C技术的突破使得在单个细胞中解析染色质构象成为可能，揭示了细胞群体中存在的显著异质性。与此同时，将3D基因组数据与表观遗传标记（如DNA甲基化、组蛋白修饰）和转录组数据整合，正在构建更完整的基因调控网络图谱。未来，发展超高分辨率成像技术与动态追踪方法，将有助于揭示基因组组织在细胞分化、疾病发生等过程中的实时变化规律，为精准医学提供新的理论依据。