胚胎表观基因组组织遵循物理定律

胚胎构建其分子特征的方式，或许远比科学家长期以来所设想的更为简单。慕尼黑大学的一支跨学科研究团队首次证明，早期胚胎中的DNA甲基化模式遵循普遍的物理规律——这类规律通常与非平衡物理学相关，而非分子生物学领域。

这项研究于4月29日发表在《自然·物理》上，由慕尼黑大学物理学院教授Steffen Rulands领导。他同时也是ORIGINS和BioSysteM卓越研究群的成员。该论文题为《胚胎表观基因组形成中的标度性与自相似性》，揭示了发育过程中DNA上甲基标记的积累在时间上具有自相似性，这一规律跨越多个数量级，并可由少数基本原则加以描述。

反馈回路驱动整个过程

该机制的核心是一个动态反馈回路：在DNA上添加甲基的酶会同时改变染色质的空间结构，而这种结构变化反过来又决定了进一步甲基化发生的位置。这种相互作用驱动了纳米尺度的相分离——一种细胞核内不同分子状态相互分离、形成稳定结构域的物理过程——且该过程在很大程度上不依赖于局部基因组环境。

"我们的研究表明，物理原理在胚胎基因组的组织中发挥着关键作用，"Rulands在慕尼黑大学发布的声明中说道。"这为我们用物理学方法理解复杂的生物过程开辟了全新的可能性。"慕尼黑大学

在基因沉默发生之前预测它

为得出上述结论，研究人员综合运用了单细胞多组学、超分辨率显微镜以及源自非平衡物理学的理论模型——包括场论和重整化群方法。其中一个尤为引人注目的发现是：某些基因的表观遗传变化，早在这些基因实际发生沉默的一到两天前便可被检测到——这一早期信号表明，基因组正在主动为其下一个调控状态做准备。

这些结果为胚胎发育中的一个基础性事件提供了新的机制层面的认识：从完全相同的细胞转变为不同细胞类型的过程，即所谓的对称性破缺。慕尼黑大学

更广泛的影响

这些发现最终或将为再生医学和癌症研究提供参考，而表观遗传学改变在这两个领域中均扮演着核心角色。"尤其令人振奋的是，我们可以直接从线性DNA序列数据中推断出细胞核内的时空过程，"Rulands说道，"这使我们得以观察并从理论上描述基因组的自组织现象。"慕尼黑大学