研究表明，染色质纤维的基因组“记忆”控制着生命的基石

发表在《科学进展》上的一项开创性新研究表明，西北医学院的科学家们发现了人类基因组如何产生创造蛋白质和细胞的指令的新细节，蛋白质和细胞是生命的基石

萨克斯家族生物医学工程和医学教授Vadim Backman博士是该研究的高级作者，他说，虽然人们知道基因是一组创建RNA的指令，因此也是蛋白质和细胞的指令，但由于技术限制，这一过程的基本过程还没有得到很好的研究

西北大学物理基因组学与工程中心主任巴克曼说：“尽管有相同的基因，但我们仍然不完全清楚细胞是如何变成神经元、骨骼、皮肤、心脏或大约200种其他类型的细胞的，然后在一个多世纪的人的生命周期内表现出稳定的细胞行为的，或者为什么衰老会降低这一过程。”。“这是生物学中一个长期悬而未决的问题。”肺科和重症监护科医学教授Igal Szleifer博士和胃肠病学和肝病学研究员Luay Almassalha博士是该研究的合著者

在这项研究中，研究人员利用纳米级成像和传感技术以及西北大学开发的建模技术，分别标记和观察染色质纤维：在细胞核内形成染色体的DNA和蛋白质束

科学家们观察到，染色质自组织成“包装结构域”——分子结构中不同、紧凑的区域，在调节基因表达中起着至关重要的作用

“在每个细胞的细胞核中，基因组以这样一种方式折叠，形成数千个微小的纳米级‘包装域’，其三维结构创造了转录的‘记忆’，令人惊讶的是，它作为一种强大的几何计算设备运行，就像在ChatGPT等人工智能工具中为神经网络提供动力的强化学习和我们大脑中细胞的行为一样，”Backman说，他也是西北大学Robert H.Lurie综合癌症中心的工程与技术副主任

Backman说，研究结果表明，细胞利用转录记忆在组织内建立可预测、稳定的行为。这些遗传记忆会随着时间的推移而退化，导致一系列与衰老相关的疾病，包括自身免疫性疾病、癌症、阿尔茨海默病和动脉粥样硬化

Backman说：“转录记忆如何编码的发现可能解释了如何以及在哪里逆转这些过程，并可能导致针对癌症的全新疗法，通过开发保存甚至重新编程这些转录记忆的策略，增强组织再生，并促进寿命。”

Almassalha说：“即使只关注癌症，这也具有重大意义。”

以前，Backman发现在每种类型的癌症中，染色质堆积结构域都会被破坏。了解这个几何系统的规则，可以让研究人员深入了解癌症形成的原因以及它们如何快速逃避治疗

＜p＞Almassalha说：“与突变不同，结构域既可以用来存储几十年的信息，也可以在几分钟内转化，因此癌症细胞拥有我们其他细胞无法匹配的‘额外装备’。”。“我们现在可以设计治疗方法来减缓癌症细胞的计算，同时加快免疫细胞的计算速度，这可能会为比赛场地带来公平。”

在这一发现之后，Backman和他的合作者将开始将这一发现转化为健康和疾病的实际应用，并探索开发基于几何基因组计算原理设计的强大的新计算技术

Backman说：“这些发现也可能激发合成生物学的努力，有可能使具有定制转录记忆的人造生物的设计成为可能。”

物理基因组学与工程中心还将探索其他复杂生物（如植物或真菌）中是否存在类似的结构和过程，并研究其进化意义

瓦迪姆说：“随着基因组几何形状变得更加复杂和计算能力更强，这可能会为数百万年来物种的进化提供见解。” More information: Luay M. Almassalha et al, Chromatin conformation, gene transcription, and nucleosome remodeling as an emergent system, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adq6652

Journal information: Science Advances