真核生物體的遺傳信息儲存在DNA的線性序列中，編碼基因，進而產生各種細胞功能所必需的蛋白質和RNA。基因組DNA分層並有效地包裝成細胞核內的多級染色質結構，包括核小體、30nm結構、染色質環、拓撲結構域、染色質區室和染色體領地。染色質有序的空間結構及其動態過程在所有與DNA相關的生物過程中發揮重要作用，如基因轉錄和DNA複製、損傷、修復，這些都對人類健康至關重要，結構異常會導致多種疾病發生。那麼，遺傳信息究竟是如何組織存儲在一個微米級的細胞核中的呢？在需要複製或讀取基因組信息時，染色質有序摺疊的空間結構又是如何解開的呢？探尋、解答這兩大關鍵問題，至關重要。
Science China Life Sciences特邀中國科學院生物物理研究所李國紅研究員組織出版專題「3D genome and nuclear architecture」(點擊可查看專題全文)。專題文章涉及三維基因組學研究技術最新進展、染色質三維結構形成和維持的架構蛋白及其作用機制、染色質二級結構等前沿熱點領域，為推動三維基因組和細胞核結構以及其他相關領域的研究發展提供了非常有益的見解和指導。
專題文章簡介
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三維基因組學研究技術進展
細胞核內的染色質在空間上具有高度有序的層級結構，這種結構對於細胞維持正常功能具有非常重要的作用。利用高通量測序的Hi-C和ChIA-PET技術已經被廣泛應用於多種生物學研究中解析基因組空間結構及其功能。然而，三維基因組研究仍然存在大量的難題和挑戰，亟需更簡單經濟高效並且無誤差的研究技術。華中農業大學李國亮教授團隊較全面地回顧了近幾年在三維基因組研究領域的新技術，主要分為Hi-C/ChIA-PET技術改進版、非接近連接技術、成像技術、CRISPR相關技術和生物信息學等方面，為未來三維基因組技術研究提供了方向上的借鑑。
染色質三維結構形成及維持的架構蛋白
近十年來，隨著成像和測序技術的快速發展，三維基因組學研究揭示了染色質的層級結構包括染色質環、拓撲相關結構域、染色質區室和染色體領地，每個層級都與基因組的功能息息相關。然而，不同層級的染色質高級結構是如何形成及維持的？哪些蛋白在其中發揮著重要作用？可能的機制是什麼？針對這些問題，北京大學李程研究員、孫育傑研究員團隊撰寫綜述文章，對染色質三維結構的主要架構蛋白及其作用機制和功能進行了介紹，並提出了該領域未來可能的研究方向，例如相分離、RNA、傳統轉錄因子等因素對染色質三維結構的影響都是值得探索的角度。
輻射致DNA碎片分布揭示體內染色質混合二級結構
特定的染色質結構是細胞行使各種生理/病理功能的物質基礎，其基本單元是核小體。當前學界對於由核小體構成的二級結構充滿爭議，其中焦點問題是體內30 nm結構是否存在，及以何種類型結構多大佔比存在。電離輻射導致的DNA片段長度分布包含了有染色體空間結構的所有信息。北京大學楊根教授、李程研究員團隊將Hi-C和30 nm結構模型相結合，構建了全新的「30-C」模型。通過模擬DNA片段長度分布與實驗數據對比，結果表明間期人體成纖維細胞體內存在30 nm之字螺線管結構，且預測體內染色質二級結構最可能是由45%的之字螺線管30-nm結構和55%的核小體10 nm纖維組成。
染色質架構蛋白CTCF決定增強子與啟動子的拓撲性選擇
染色質拓撲絕緣子CTCF的方向性在三維基因組中決定DNA環化的方向性和增強子的方向性。基因組中有相當一部分的增強子和啟動子中含有CTCF結合位點，這些位點在增強子與啟動子的選擇中具有決定性作用。上海交通大學吳強教授團隊利用CRISPR DNA大片段編輯技術，通過對含有CTCF位點的增強子進行重複，發現在增強子重複之後，近端增強子與靶基因通過遠程互作在空間上相互靠近並激活靶基因，而遠端增強子則不再與靶基因互作。把近端增強子的CTCF位點突變之後，靶基因不再與其互作，而恢復與遠端含有CTCF位點的增強子互作，這樣靶基因的啟動子又被遠端的增強子激活。所以雖然染色質高級結構在三維基因組中改變了，但啟動子的活性卻沒有變化，這就解釋了近幾年所謂染色質高級結構與基因表達調控關係不大的現象。該研究還通過啟動子重複實驗進一步證明了CTCF在啟動子拓撲性選擇的決定性作用。總之，該研究首次揭示了染色質架構蛋白CTCF在基因表達調控中啟動子和增強子拓撲性選擇的作用機制。