中大新聞網(wǎng)訊（通訊張家軍）基因表達(dá)是與三維基因組結(jié)構(gòu)密切相關(guān)且受到結(jié)構(gòu)高度調(diào)控的過(guò)程，表現(xiàn)為不連續(xù)的爆發(fā)行為。增強(qiáng)子和啟動(dòng)子作為三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)上主要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的元件，負(fù)責(zé)時(shí)空準(zhǔn)確的基因表達(dá)，確保細(xì)胞功能的正常實(shí)現(xiàn)以及幫助細(xì)胞命運(yùn)決策過(guò)程。最近的許多實(shí)驗(yàn)研究都致力于了解基因組上調(diào)控元件之間的長(zhǎng)程作用在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動(dòng)力學(xué)中的作用。然而，三維染色質(zhì)組織（特別是三維增強(qiáng)子-啟動(dòng)子（E-P）空間通訊）是如何隨一維時(shí)間形成轉(zhuǎn)錄爆發(fā)模式的機(jī)制仍有待闡明。
近日，中山大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院張家軍教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的理論框架，該框架整合了快時(shí)間尺度上的染色質(zhì)空間運(yùn)動(dòng)和慢時(shí)間尺度上的基因轉(zhuǎn)錄爆發(fā)過(guò)程（圖1），并且這一框架可以被公式化為四維核體方程（4D nucleome equation）。課題組研究人員使用這一框架來(lái)分析轉(zhuǎn)錄爆發(fā)在空間和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)行為，即四維轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動(dòng)力學(xué)。模型分析和數(shù)值模擬揭示了冪律行為可以作為定性描述E-P空間通訊調(diào)控轉(zhuǎn)錄爆發(fā)的一般規(guī)律。具體地，E-P通訊強(qiáng)度通過(guò)正指數(shù)冪律上調(diào)爆發(fā)頻率和爆發(fā)大小。對(duì)標(biāo)度指數(shù)的分析進(jìn)一步理論揭示了E-P通訊主要調(diào)控爆發(fā)頻率。其次，E-P基因組距離通過(guò)負(fù)指數(shù)冪律下調(diào)轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動(dòng)力學(xué)，并且這種負(fù)調(diào)控在大的E-P基因組距離下達(dá)到飽和。爆發(fā)頻率（或爆發(fā)大小）和E-P空間距離之間的互信息進(jìn)一步揭示了從E-P通訊到轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動(dòng)力學(xué)信息傳遞的本質(zhì)特征。這些發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)觀(guān)察結(jié)果一致，不僅揭示了轉(zhuǎn)錄爆發(fā)中E-P通訊的基本原理，而且對(duì)理解細(xì)胞決策至關(guān)重要。
圖1. E-P通訊如何調(diào)控轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動(dòng)力學(xué)的建?？蚣?。
該研究以“Power-law behavior of transcriptional bursting regulated by enhancer–promoter communication”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Genome Research上。中山大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院博士后王子豪、博士后張圳泉和已畢業(yè)博士駱嵩豪為本文共同第一作者。中山大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院周天壽教授為共同通訊作者，張家軍教授為最后通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
