摘要：在我们的每一个细胞核内，都沉睡着一条长达两米的DNA“细线”。为了将这惊人的长度塞进微米级的细胞核中，DNA必须经过精密的折叠和压缩，其复杂程度远超想象。长久以来，我们习惯于将基因组想象成一张静态的地图，上面标注着不同的功能区域，比如基因、增强子和绝缘子。像H
在我们的每一个细胞核内，都沉睡着一条长达两米的DNA“细线”。为了将这惊人的长度塞进微米级的细胞核中，DNA必须经过精密的折叠和压缩，其复杂程度远超想象。长久以来，我们习惯于将基因组想象成一张静态的地图，上面标注着不同的功能区域，比如基因、增强子和绝缘子。像Hi-C这样的技术为我们绘制了这张地图的宏观蓝图，揭示了拓扑关联结构域 (Topologically Associating Domains, TADs) 和染色质区室 (Compartments) 等结构。然而，这张“地图”是通过平均数百万个细胞得到的“快照”集合，它描绘的是一种统计上的可能性，而非一个活细胞内正在发生的真实故事。它就像一张城市的人口密度图，我们知道哪些区域人流密集，却无法看到其中每一辆车、每一个人的实时轨迹。
一个根本性的问题始终萦绕在心头：在一个活生生的细胞里，基因组到底是静如处子，还是动如脱兔？那些远隔数万甚至数十万碱基对的基因和它的调控元件，是如何在拥挤的细胞核中找到彼此的？它们之间的“会面”需要多久？是几分钟，几小时，还是更久？这些动态过程，而非静态结构，或许才是理解基因功能的关键。
9月18日，《Science》的研究报道“Kinetic organization of the genome revealed by ultraresolution multiscale live imaging”，为我们揭开了这层神秘面纱。研究团队开发了一项名为“TRACK-IT”的革命性技术，以前所未有的时空分辨率，捕捉到了活细胞内基因组的动态行为。他们所呈现的，不再是一张静态的地图，而是一部关于基因组运动的高清、实时的纪录片。这部“纪录片”不仅颠覆了我们对基因组组织的传统认知，更直接测量到了驱动这一切的关键引擎——cohesin蛋白，在活细胞内的“狂飙”速度。
如果你想全面了解一座庞大都市的交通系统，你手头的第一份资料，可能是一张详尽的城市地图，上面标注了主干道、小巷、商业区和住宅区。这张地图非常有用，它告诉你城市的基本结构。这，就是Hi-C技术为我们描绘的基因组世界，一个充满了TADs(可以看作城市的“街区”) 和区室 (可以看作“功能区”) 的结构化蓝图。
Hi-C技术通过捕捉染色质在空间上相互靠近的片段，告诉我们基因组的哪些部分倾向于“扎堆”。它揭示了TADs的存在，在这些结构域内部，DNA片段的相互作用频率远高于域间的相互作用。这就像一个街区内的居民彼此往来更频繁一样。TAD的边界通常由一种叫做CTCF的蛋白把守，如同街区的“门卫”，限制了内外交流。
这个“静态地图”模型非常成功，解释了很多基因调控现象。例如，一个基因和它的增强子通常位于同一个TAD内，这确保了调控的精确性，防止增强子“误伤”邻近TAD中的其他基因。而驱动TAD内部互作的关键“引擎”，被认为是cohesin蛋白复合体。经典的“环挤压模型”（loop extrusion model）提出，cohesin就像一个滑动的“绳结”，能抓住DNA链，将远处的片段拉近，形成一个动态的染色质环。
然而，这张“地图”背后隐藏着一个巨大的悖论。当我们用显微镜去观察单个细胞时，却发现几乎每一个细胞的基因组折叠模式都与这张平均地图大相径庭，甚至TAD的清晰边界在单细胞中也常常是模糊不清的。这说明，Hi-C地图描绘的可能不是一个固定的建筑结构，而是一个动态过程的统计平均。
这就好比，城市的交通热力图显示市中心在高峰时段总是拥堵，但这并不意味着每一辆车都停滞不前。恰恰相反，那里充满了川流不息的车辆。要真正理解交通，我们需要的是无数个“行车记录仪”传回的实时数据，告诉我们每一辆车的速度、路线以及它与其他车辆的互动。
同理，要理解基因组的功能，我们需要的不仅仅是一张静态地图，而是一个能够实时追踪基因组特定位点运动的“行车记录仪”。我们需要知道：速度、运动模式以及边界效应。回答这些问题，需要一项能够在活细胞中，以纳米级的空间精度和亚秒级的时间精度，长时间追踪基因组上任意两个位点之间距离变化的技术。这，正是过去技术无法企及的“圣杯”。而该研究的TRACK-IT技术，正是为了打造这台终极的“基因组行车记录仪”而生。
在活细胞内追踪基因组的运动，如同在狂风暴雨的黑夜里，试图用一盏昏暗的油灯看清远处两只萤火虫的舞蹈。挑战是巨大的：信号要足够亮，才能看得清；“灯”的尺寸要足够小，才不会干扰它们的舞蹈；相机的快门要足够快，才能捕捉到每一个舞步。过去的尝试，往往因为荧光标记太大、太暗、淬灭太快，或者成像速度太慢，而只能得到模糊、断续的轨迹。
TRACK-IT (Transposon-assisted chromatin kinetic imaging technology)技术，通过一系列巧妙的设计，系统性地攻克了这些难题。
首先，他们打造了更小、更亮的“荧光信标”。通过采用优化的、仅有1.6 kb和2.0 kb的高度小型化荧光标记阵列，并结合极其明亮且稳定的荧光蛋白，实现了连续拍摄3600张3D图像后信号损失微乎其微的效果，确保了长时间稳定追踪。
接着，他们巧妙地利用名为“睡美人”的转座子，让一个荧光信标在染色体上自由“跳跃”，从而创造性地生成了一个覆盖从5 kb到73 Mb（兆碱基对）所有尺度的庞大细胞观测库。
随后，通过精准的定位技术和定制化的“超高速摄影机”（双摄像头转盘共聚焦显微镜），他们能以惊人的0.5秒/帧的速度，连续30分钟捕捉细胞核内两个信标的三维动态，最终收集了高达75TB的影像数据，包含了超过1800万个数据点。
最后，通过严苛的“质量认证”，研究人员将TRACK-IT数据与两种“金标准”数据进行了比较。他们计算的接触频率与经典的Hi-C数据高度相关 (皮尔逊相关系数高达0.989)，测量的三维空间距离也与另一种高分辨率成像技术ORCA的结果高度一致 (皮尔逊相关系数0.98)。这充分证明，TRACK-IT这台“基因组行车记录仪”不仅看得快、看得清，而且看得准。
当研究人员启动这台强大的“行车记录仪”，细胞核内上演的景象，远比想象中更加颠覆。
一个惊人的发现是：基因之间的“会面”快得超乎想象。在TAD内部，两个位点从平均距离移动到足以发生相互作用的“接触”距离，所需的时间竟然是以“秒”为单位计算的。具体数据显示：对于相距20 kb的两个位点，平均搜索时间仅为约20秒。即使距离增加到407 kb，平均搜索时间也只是缓慢增加到约60秒。
而更有趣的现象发生在TAD边界。当第二个信标被移动到TAD之外，跨越了CTCF“门卫”把守的边界时，对于相距799 kb的两个位点，平均搜索时间骤然跃升至超过1000秒（约17分钟）。对于更远的距离，例如12 Mb和73 Mb，估计的搜索时间更是长达数天。
这一发现，为我们揭示了TAD的本质。TAD或许不应该被理解为一个静态的、物理隔离的“结构域”，而更应该被看作是一个“动能关联域” (Kinetically Associated Domains)。在TAD这个“动感派对”内部，存在一种活跃的、由马达蛋白驱动的机制，极大地加速了成员之间的互动。而TAD边界，则像派对会场的“墙壁”，极大地阻碍了跨界交流的速度。
为了找到派对的“灵魂引擎”，研究人员特异性地降解了细胞内的cohesin蛋白。结果令人震撼：在cohesin被降解后，TAD内部的快速搜索现象完全消失了。TAD内外搜索速度的巨大差异也随之消失，整个基因组的运动模式变得均一化，都像是缓慢的随机游走。这个实验结果给出了一个清晰的答案：Cohesin正是TAD内部“派对”的灵魂引擎。
如果cohesin真的是一个在DNA上行进的马达，那么我们能否直接看到它“拉动”DNA的过程？根据“环挤压模型”的预测，应该能观察到两个信标以一个相对恒定的速度相互靠近，这是一种独特的“过程性运动” (processive motion)。
凭借TRACK-IT无与伦比的时空分辨率和庞大的数据量，研究人员终于在海量轨迹中，筛选出了他们梦寐以求的“决定性瞬间”。他们观察到，在一些特定的轨迹中，两个相距甚远的信标会突然开始一段持续数秒的、几乎是线性的、单向的靠近过程。
最关键的证据是，在他们发现的22个清晰的过程性运动事件中，有20个发生在正常的、含有cohesin的细胞中。而在cohesin被降解的细胞中，几乎从未观察到此类事件。这种极高的统计学差异 (P = 0.0036) 有力地证明，这些过程性运动正是由cohesin驱动的。
既然已经捕捉到了cohesin“拉动”DNA的真实影像，那么它的速度到底有多快？通过校准，他们计算出了一个令人瞩目的数字：在活细胞内，cohesin挤压DNA环的速度平均为2.7 kb/s。这个速度比之前通过间接方法估算的0.1 kb/s快了近30倍，也比在体外重构系统中观察到的1 kb/s快了近3倍。这是一个历史性的测量，我们不仅第一次亲眼“看”到了cohesin的工作过程，还精确地测定了它在自然生理环境下的“巡航速度”。
这项研究的意义，远远超出了对基因组动力学本身的描述。它为我们理解基因调控、细胞功能乃至生命系统的运作逻辑，提供了全新的视角。
在基因调控方面，研究揭示的“秒级”和“分钟级”的搜索时间，彻底改变了传统图景。在一个TAD内，调控元件之间的“握手”是高效且迅速的，这使得细胞能够在很短的时间内，通过频繁的“接触-分离”循环 (“kiss-and-run”模型)，来精确感知和调节基因的表达水平。
同时，这项研究也为“cohesin悖论”提供了一个可能的解释。数据显示，cohesin对搜索时间的加速作用，在基因组距离大于100 kb时最为显著，而对于5 kb到70 kb这样较近的距离，其影响相对温和。因此，对于那些启动子和增强子相距较近的基因，它们可能并不完全依赖cohesin提供的“快速通道”。
最后，这项研究向我们传递了一个更为深刻的哲学思考：在生命系统中，动态过程 (Kinetics) 可能与静态结构 (Structure) 同等重要，甚至更为重要。该研究，就是那部记录赛车飞驰的超高清、慢动作电影。它告诉我们，基因组不是一座冰冷的、静态的建筑，而是一个充满活力、永远在运动、重构和交互的动态机器。
从现在起，当我们再思考基因组时，脑海中浮现的，或许不应再是一张折叠的地图，而应该是一个繁忙的、充满活力的微型都市。在这座都市里，信息以我们前所未见的速度在不同的“街区”间传递，而cohesin，就是那不知疲倦的信使，以2.7 kb/s的速度，日夜不息地穿梭其中，维系着整座生命之城的运转与繁荣。这部关于基因组的“速度与激情”，才刚刚拉开序幕。
参考文献
Lee J, Chen LF, Gaudin S, Gupta K, Novacic A, Spakowitz A, Boettiger AN. Kinetic organization of the genome revealed by ultraresolution multiscale live imaging. Science. 2025 Sep 18;389(6766):eadx2202. doi: 10.1126/science.adx2202. Epub 2025 Sep 18. PMID: 40966347.
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来源：生物探索一点号1