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两项突破性的新研究表明，看似杂乱无章的DNA实际上形成了一种三维结构，这种结构协调数千个基因以形成精子细胞。
两项突破性的新研究表明，看似杂乱无章的DNA实际上形成了一种三维结构，这种结构可协调数千个基因以形成精子细胞。
这两项研究成果于2025年3月3日发表在《Nature Structural and Molecular Biology》杂志上，有望改善生育问题和发育障碍的治疗。
一篇论文的资深作者、加州大学戴维斯分校的微生物学和分子遗传学教授Satoshi Namekawa表示：“我们正在探索基因组的三维结构。这确实向我们展示了基因组结构如何指导发育。”
尽管DNA是一种长长的线状分子，但在活细胞中，它却像一团毛线一样，折叠并缠绕在一起。这意味着基因可以在物理上靠近“增强子”DNA开关，即使它们在DNA序列中相距甚远，而这些增强子能够开启或关闭基因。
若要了解基因是如何被开启或关闭以形成不同细胞类型的，就必须弄清楚DNA是如何折叠的，以及哪些基因和增强子是“一对”。
Namekawa解释说，在小鼠或人类胚胎中，未来会产生精子或卵子的细胞早就已经被指定。
这些原始生殖细胞最初是“双潜能”的——能够成为精子或卵子。但当胚胎仍然在子宫内时，其双潜能细胞会选择走一条路或另一条路，一旦它们跨过这道门槛，就无法回头了。
“细胞有一种记忆，”Namekawa说，“但我们不知道这种记忆是如何发挥作用的。我们正在努力了解这种男性命运是如何获得的。”
Namekawa和他的学生们采用一种名为“Hi-C”的技术来鉴定基因组中相距较远部分配对在一起的邻近连接点。通过计算机分析这些配对位置，他们能够看到整条DNA链是如何缠绕和折叠的。
研究人员发现，生殖细胞中有两种蛋白质能够建立这种细胞记忆。第一种蛋白质名为SCML2，它能断开连接点，让DNA打开并松动，为下一阶段精子细胞发育的结构重塑做准备。
另一种蛋白质CTCF会附着在超级增强子DNA的位置上，并将它们与后续精子发育过程中开启的基因进行配对。这样就建立了一种新结构，巩固了细胞作为精子细胞的未来命运。
同期发表的另一篇论文显示，早在生殖细胞进入减数分裂之前，CTCF及其他蛋白质就已经在基因组的数千个位置上做了标记。
这项工作由霍华德·休斯医学研究所的研究员Bradley Cairns领导。Satoshi Namekawa等加州大学戴维斯分校的研究人员也参与了研究工作。
这些发现可能具有重要的医学意义，包括开发诊断检测以确定与基因组折叠相关的不育原因。
科学家们补充说，这些结果还可以帮助研究干细胞疗法的科学家，因为诱导干细胞成为神经元或心肌细胞需要将其从一种遗传程序转换到另一种遗传程序，而每种程序都由特定的三维基因组结构定义。
“我们正在揭开细胞记忆和细胞命运的语言，”Namekawa说，“这真的很令人兴奋。”
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