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在动物研究领域，基因调控机制一直是科研热点。为探究动物基因组调控的进化起源，研究人员对非两侧对称动物及其单细胞近亲展开研究。他们发现染色质环是部分动物基因组架构的保守特征，这一发现有助于理解动物发育程序和细胞类型多样化，意义重大。
在生命的奇妙旅程中，动物从简单的单细胞生物逐渐演化出复杂多样的形态和功能，这背后基因调控的变化起着关键作用。在两侧对称动物中，基因调控依赖线性和空间信息，如染色质区室化、绝缘以及染色质环等机制，将基因组中的调控元件整合到基因调控景观中。然而，这些调控特征在漫长的进化历程中是如何起源和发展的，一直是个未解之谜。因为大多数动物谱系的三维基因组架构尚未被深入探索，就像一本本神秘的书籍，等待着科学家去翻阅。
为了揭开这个谜团，来自巴塞罗那科学技术研究所（Barcelona Institute of Science and Technology）等多个研究机构的研究人员，踏上了探索动物基因调控起源的征程。他们通过结合高分辨率染色体构象捕获（Chromosome Conformation Capture，3C）技术、表观基因组标记和基因表达数据，对非两侧对称动物（包括海绵、栉水母、扁盘动物和刺胞动物）及其最接近的单细胞近亲（鱼孢菌、丝盘虫和领鞭毛虫）的基因组物理组织进行了深入研究。
研究人员发现，染色质环是栉水母、扁盘动物和刺胞动物基因组架构的保守特征。这些染色质环由序列决定，涉及启动子 - 增强子以及启动子 - 启动子之间的相互作用。然而，在动物的单细胞近亲中却没有发现染色质环的存在。这一发现表明，空间基因组调控在动物进化早期就已出现，它为动物的发展带来了新的变化。这种进化创新增加了调控的复杂性，就像为动物的发育程序和细胞类型的多样化搭建了一个更加精密的舞台，使得动物能够发展出更为复杂的生命形式。该研究成果发表在《Nature》杂志上，为我们理解动物进化提供了重要的线索。
研究人员在这项研究中用到了多个关键技术方法。首先是高分辨率染色体构象捕获技术（3C），通过该技术绘制全基因组染色质接触图谱，获取基因组的空间结构信息。其次，利用染色质可及性检测（ATAC - seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）等技术，分析染色质的表观遗传修饰和基因表达情况，从不同角度揭示基因组的调控机制。研究样本涵盖多种非两侧对称动物及其单细胞近亲，为研究提供了丰富的素材。
下面来详细看看研究结果：
大规模基因组组织：研究人员利用 Micro - C 技术在多个物种中绘制基因组染色质接触图谱，并结合其他技术分析基因组架构特征。发现除了栉水母 Mnemiopsis leidyi 外，大多数动物基因组存在全局隔离现象，分为转录活跃、基因密集的区域和转录不活跃、转座子丰富的区域，这表明 A/B 染色体区室化是动物基因组的保守特征。
绝缘和微观尺度接触：通过计算绝缘分数等方法，研究人员对不同物种的小尺度染色体特征进行了分析。发现不同物种的绝缘边界和染色质环存在差异，如 M. leidyi 和 T. adhaerens 的染色质环数量较多，且这些环涉及启动子 - 增强子或启动子 - 启动子的相互作用，说明这些长距离染色质环可能追溯到动物多细胞起源时期。
原生生物、海绵和刺胞动物：在单细胞原生生物中，未观察到典型的染色质环，但存在一些特殊的染色质结构。海绵 Ephydatia muelleri 虽无染色质环，但有远端顺式调控元件。刺胞动物 Nematostella vectensis 存在染色质环，且部分环具有特殊结构和相关调控元件，表明染色质环在刺胞动物中是保守特征。
扁盘动物中的 3D 启动子枢纽：研究发现扁盘动物 T. adhaerens 具有复杂的 3D 基因组组织，存在许多形成 3D 相互作用枢纽的环接触，这些接触与保守的 Mutator DNA 转座子相关，约三分之一的基因参与由染色质环介导的启动子枢纽。
栉水母中的增强子 - 启动子环：栉水母 M. leidyi 基因组存在数千个染色质环，主要连接启动子和增强子，且环锚定区域具有序列特异性和进化保守性。研究还鉴定出与环形成相关的蛋白 CTEP1 和 CTEP2，它们与特定的 GC - 富集基序结合，且受 DNA 甲基化调控。
研究结论表明，染色质环是动物调控基因组的古老特征，在动物进化早期就已出现。这一发现为理解动物进化过程中基因组调控的演变提供了重要依据，有助于揭示动物发育程序和细胞类型多样化的分子机制。同时，也为后续研究提出了新的问题，如染色质环形成的保守或谱系特异性因素、其在发育和不同细胞类型中的动态变化，以及序列决定的绝缘拓扑相关结构域（TADs）在动物进化中的起源时间等。这些问题将激励科学家们进一步深入探索动物基因组调控的奥秘，为生命科学的发展带来更多惊喜。
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