多尺度活体成像揭示基因组动力学组织新机制：黏连蛋白驱动染色质快速搜索与动态域形成

来自多机构的研究团队通过开发TRACK-IT超分辨率成像技术，首次实现从5 kb至73 Mb跨尺度的染色质动态观测。研究发现黏连蛋白(cohesin)以2.7 kb/s速度主动挤压DNA环，形成动力学域内快速搜索机制（20-60秒完成接触），颠覆了传统稳定结构域认知，为基因调控研究提供新范式。

　　

编辑观点指出：细胞DNA的空间组织具有动态分区特性，不同基因组区域通过协同运动实现生物学功能。Lee等研究者采用转座子辅助染色质动力学成像技术(TRACK-IT)——一种改进的活细胞成像方法，以高时空分辨率观测了从小型基因尺度（5 kb）到完整染色体尺度（75,000 kb）的基因组运动。研究发现相同"动力学域"内的基因组序列能快速聚集（平均耗时不足1分钟），而不同动力学域间的序列结合则需要数分钟至数小时。这种域内快速搜索机制依赖于分子马达蛋白黏连蛋白(cohesin)，其牵拉远端DNA位点的速度远超扩散机制。

结构化摘要显示：

研究背景：基因组折叠具有精密组织性，这种组织是基因表达调控等功能的结构基础。黏连蛋白复合物作为关键参与者，被假设通过挤压DNA环形成自相互作用结构域。但由于个体基因组折叠存在高度异质性，结构域仅是群体统计平均的结果。最新活体成像研究揭示了基因组的动态本质，表明运动特性而非静态结构才是基因组功能的基础。

技术原理：为观测多尺度和不同染色质状态下的基因组运动，研究团队针对当前活体成像技术在分辨率（时空维度）和覆盖度（观测数量和位点）方面的局限进行了改进：优化荧光DNA标签使其更亮、光稳定性更强且微型化；插入配对的优化荧光标签后，通过自拼接自定位设计使标签在染色体上重新分布，快速获得覆盖不同基因组间隔的细胞系；采用超分辨率成像捕捉到前所未有的亚秒级、纳米尺度单细胞动力学过程；结合自动化显微镜和计算框架分析海量数据，首次实现了5 kb至73 Mb范围内深度和高分辨率的活细胞基因组运动数据采集。

重要发现：亚兆碱基对间隔（相当于调控元件与靶基因的典型距离）的基因组位点可在数十秒内从平均距离（200-500 nm）实现接触（<50 nm），速度远超既往认知。这种快速搜索动力学被限制在基因组域内，跨越域边界会显著降低速度。动力学时间与间隔距离仅呈弱相关——从20 kb间隔的平均20秒增至407 kb间隔的60秒。缺乏黏连蛋白时域间差异消失：域内搜索耗时延长且更符合" crumpled globule "（ crumpled globule ）理论预测的扩散聚合物特性。此外研究观察到活跃的环挤压特征——在黏连蛋白阳性的细胞中特定间隔距离处出现独特的 processive linear motion （ processive linear motion ）位点对运动，该现象经聚合物模拟验证并据此推算出体内主动环挤压速度为2.7 kb/秒。

结论：研究结果支持基因组具有高度动态持续重构特性的观点。黏连蛋白不仅塑造基因组结构，还通过马达活性加速远端基因组元件的搜索进程。域边界发挥着动力学屏障功能，将基因组划分为加速搜索的动力学域，而非既往描述的稳定结构域。这些发现与活体成像技术的改进共同阐明：基因组的动力学组织如何调控单个细胞的基因组功能。

摘要表明：基因组功能需要动态的基因组运动。本研究通过哺乳动物染色体自映射荧光标记技术实现超分辨率追踪，发现亚兆碱基距离的序列可在数十秒内实现邻近化。这种快速搜索依赖黏连蛋白且仅发生于域内，域边界作为动力学障碍而非结构边界存在。顺式相互作用的搜索时间与基因组间隔的关联规律违背扩散理论预测，提示马达蛋白驱动的折叠机制。研究同时发现黏连蛋白依赖的 processive motion （ processive motion ）达2.7 kb/秒。这些多尺度动力学特征共同揭示了基因组被组织为动力学关联域的新型机制。