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從單細(xì)胞到人類，生命為何能變得越來越復(fù)雜？無數(shù)細(xì)胞如何做到精密分工、各司其職？4月21日，西安交通大學(xué)葉凱教授團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》雜志發(fā)表論文，通過對跨越38億年、涵蓋1025個(gè)物種的基因組數(shù)據(jù)分析，首次從“系統(tǒng)構(gòu)架”的視角回答了這些長期懸而未決的核心謎題。

一個(gè)被忽略的維度

生物學(xué)有一條基本信條：結(jié)構(gòu)決定功能。但長期以來，科學(xué)家主要關(guān)注基因序列本身，卻忽略了一個(gè)關(guān)鍵維度——基因在細(xì)胞核內(nèi)是如何折疊的。如果把基因組比作一張“設(shè)計(jì)圖”，那么這張圖在三維空間中的折疊方式，直接決定了哪些基因被讀取、哪些被沉默。正是這種肉眼看不見的物理結(jié)構(gòu)，支撐著細(xì)胞的分工與協(xié)同。

然而，一個(gè)根本問題始終沒有答案：基因組的三維結(jié)構(gòu)本身是如何演化的？它憑什么支撐了生命從簡單到復(fù)雜的系統(tǒng)躍升？

要回答這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)面臨巨大挑戰(zhàn)。他們需要從海量、異質(zhì)的跨物種數(shù)據(jù)中，提取出普適規(guī)律。這無異于大海撈針。為此，西安交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授葉凱帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)大膽的想法：把線性的基因序列“圖像化”升維，將復(fù)雜的三維互作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)視覺可以識(shí)別的特征圖像，然后讓AI來幫助尋找規(guī)律。

但數(shù)據(jù)中的噪聲和異質(zhì)性是一大難題。西安交通大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院孟德宇教授團(tuán)隊(duì)為此構(gòu)建了數(shù)學(xué)底層模型，核心是稀疏表示與雙層優(yōu)化算法。簡單來說，這個(gè)模型能把每個(gè)物種看似雜亂的三維基因組圖譜“拆解”開來，再“重構(gòu)”成少數(shù)幾個(gè)本質(zhì)構(gòu)架模板的組合。

“就像一套高精度的降噪和特征提取系統(tǒng)?！蔽靼步煌ù髮W(xué)自動(dòng)化學(xué)院博士生車一卓解釋說，正是這種“知識(shí)—數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)”的研究范式，讓大尺度發(fā)現(xiàn)成為可能。

兩套不同的“構(gòu)架”

有了這套方法，團(tuán)隊(duì)首次清晰定義了兩類核心的基因組高階構(gòu)架。

第一類叫“全局折疊”，即染色體在細(xì)胞核內(nèi)的整體空間排布，好比建筑的承重結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)構(gòu)架在生命界普遍存在，但其強(qiáng)弱與生物復(fù)雜性無關(guān)。有趣的是，植物普遍強(qiáng)化了這一穩(wěn)定構(gòu)架。車一卓認(rèn)為，這可能有助于植物應(yīng)對固著生存帶來的環(huán)境壓力。

第二類叫“棋盤格局”，反映活躍與抑制的基因組區(qū)域在三維空間中的分隔程度，好比城市的功能區(qū)規(guī)劃。研究揭示了一個(gè)關(guān)鍵規(guī)律：棋盤格局越強(qiáng)，生物復(fù)雜性越高。也就是說，生命體越復(fù)雜，其基因組三維組織就越趨向于精細(xì)的“分區(qū)化管理”。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物和植物在演化中走上了兩條不同的道路。動(dòng)物弱化了“全局折疊”的剛性約束，為“棋盤格局”騰出發(fā)展空間，從而支撐了高度分化的細(xì)胞類型和復(fù)雜行為。植物則傾向于加固“全局折疊”這一硬件骨架，更多依賴基因簇等其他調(diào)控方式。兩者在相似的復(fù)雜性水平上，演化出了截然不同的內(nèi)部調(diào)控策略。

令人驚嘆的是，這一跨越38億年的演化規(guī)律，在人類胚胎早期發(fā)育中得到了印證。人類胚胎發(fā)育同樣經(jīng)歷了一個(gè)從強(qiáng)“全局折疊”向強(qiáng)“棋盤格局”的構(gòu)架轉(zhuǎn)換，且與細(xì)胞從全能性向多能性、再向特異功能分化的關(guān)鍵時(shí)期同步。

“從穩(wěn)定骨架到動(dòng)態(tài)分區(qū)，這個(gè)構(gòu)架轉(zhuǎn)換可能是生命系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從同質(zhì)化向異質(zhì)化躍升的共通法則?！比~凱說。

在葉凱看來，這項(xiàng)研究的意義不止于回答了“是什么”，更在于展示了“怎么做”?！拔覀儗⑸w視為一個(gè)動(dòng)態(tài)的、自組織的復(fù)雜系統(tǒng)，運(yùn)用系統(tǒng)建模、信號處理和人工智能等方法，對其核心構(gòu)架進(jìn)行逆向解析。”葉凱說，這為理解生命的設(shè)計(jì)邏輯提供了全新的視角和工具。