最新研究表明，尽管所有细胞拥有相同的基因集，但它们如何变成神经元、骨骼、皮肤、心脏或大约200种其他类型的细胞，并在整个寿命中表现出稳定的细胞行为——甚至超过一个世纪——以及为什么衰老会削弱这一过程，目前尚未完全理解。
研究人员利用先进的成像、传感和分析技术，发现转录记忆编码在称为纳米尺度染色质包装域的三维结构元素中，这些元素作为计算装置发挥作用。这项研究的意义在于，研究人员现在可以开始制定策略，理性设计细胞记忆状态，以调节细胞行为，应用于健康、疾病和衰老领域。
研究团队包括西北大学工程学院（Northwestern Engineering）的Vadim Backman教授、Igal Szleifer教授以及芬伯格医学院（Feinberg School of Medicine）胃肠病学和肝病学系的Luay Almassalha博士。Vadim Backman表示：“我们发现基因组不仅仅是一个信息存储器，它更像是一台动态计算机处理器，整合预期信号和可用空间。”
科学家们长期以来认为染色质（构成染色体的遗传物质）存在于两种对立状态：紧密压缩且不活跃的异染色质和开放且活跃的常染色质。然而，这项研究挑战了这种模型，表明异染色质和常染色质作为一个统一的计算单元共同工作。这解释了为什么抑制异染色质并不会激活所有基因——它需要创建适当的环境来激活参与蛋白质合成的基因。
这种耦合使细胞能够在有限的细胞核空间内优化，同时执行关键过程，这对组织发育和稳定性至关重要。实际上，异染色质对于有序启动系统至关重要。“通过关闭通常不转录的部分基因组，它可以创建正确的配置以支持转录的片段，”Backman说，“每个细胞都可以相信其邻居的行为是可预测的，每个细胞都会以协调的方式响应信号。”
这项研究由Vadim Backman教授领导，他是西北大学工程学院和芬伯格医学院的Sachs家族生物医学工程和医学教授，也是物理基因组学和工程中心（Center for Physical Genomics and Engineering, CPGE）的主任。研究团队还包括Christina Enroth-Cugell生物医学工程教授Igal Szleifer和芬伯格医学院胃肠病学和肝病学系的Luay Almassalha博士。他们的研究成果发表于2025年1月10日的《科学进展》（Science Advances）杂志上，题为“染色质构象、基因转录和核小体重塑作为一个涌现系统”。
该研究对衰老和疾病具有特别重要的意义。研究表明，细胞利用转录记忆在组织内部建立可预测和稳定的细胞行为。随着年龄的增长，这些记忆退化，可能会被“错误的记忆”取代。在人体的每一个组织中，这个过程与癌症、阿尔茨海默病、动脉粥样硬化、认知衰退和肌肉损失等与衰老相关的疾病有关。发现转录记忆是如何编码的，可能解释如何逆转这些过程，并可能导致针对癌症的新疗法、增强组织再生以及促进长寿。
研究还强调了先进工具和跨学科合作的重要性。这项研究得益于西北大学开发的尖端高分辨率成像和建模技术，这些技术提供了观察基因组纳米级结构所需的分辨率。这些工具使研究团队——包括成像、数学建模、生物物理学、分子生物学和医学领域的专家——能够超越过时的模型，揭示染色质状态如何合作创造最佳的基因转录条件。
Szleifer表示：“该模型重现了实验观察到的图像，同时提出了关于染色质结构的全新理论解释。反过来，这些结果激发了对染色质组织的新的全球实验和理论解释。”Backman补充道：“只有在开发这些新的成像和建模工具之后，我们才能理解先前研究的局限性。”
下一步的研究将涉及将这些发现转化为健康和疾病的实用应用，并探索基于基因组几何计算机制的强大新计算技术的发展。这些发现还可能启发合成生物学的努力，使设计具有定制转录记忆的人工生物成为可能。展望未来，这些发现还提出了关于物种间进化和生物学的有趣问题。研究人员计划调查其他多细胞生物（如植物和真菌）是否存在类似的物理编码计算，并探索其进化的含义。
Almassalha说：“这个系统可能在进化上有益于创造复杂的结构，因此值得研究其他多细胞物种（如植物、真菌和动物）是否也使用类似的物理编码计算。”Backman总结道：“这标志着我们对基因组组织的理解有了根本性的新方法。当被视为生成连贯配置以实现最佳转录所必需的合作属性时，这立即赋予了染色质域作为计算结构的能力。”
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