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)控的過程，表現(xiàn)為不連續(xù)的爆發(fā)行為。增強子和啟動子作為三維染色質(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)時空準(zhǔn)確的基因表達(dá)，確保細(xì)胞功能的正常實現(xiàn)以及幫助細(xì)胞命運決策過程。最近的許多實驗研究都致力于了解基因組上調(diào)控元件之間的長程作用在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動力學(xué)中的作用。然而，三維染色質(zhì)組織（特別是三維增強子-啟動子（E-P）空間通訊）是如何隨一維時間形成轉(zhuǎn)錄爆發(fā)模式的機制仍有待闡明。
近日，中山大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院張家軍教授團(tuán)隊開發(fā)了一個通用的理論框架，該框架整合了快時間尺度上的染色質(zhì)空間運動和慢時間尺度上的基因轉(zhuǎn)錄爆發(fā)過程（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分析轉(zhuǎn)錄爆發(fā)在空間和時間上的動態(tài)行為，即四維轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動力學(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通訊強度通過正指數(shù)冪律上調(diào)爆發(fā)頻率和爆發(fā)大小。對標(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基因組距離通過負(fù)指數(shù)冪律下調(diào)轉(zhuǎn)錄爆發(fā)動力學(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?。┖虴-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)動力學(xué)信息傳遞的本質(zhì)特征。這些發(fā)現(xiàn)與實驗觀察結(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。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目資助。
