中大新聞網訊（通訊張家軍）基因表達是與三維基因組結構密切相關且受到結構高度調控的過程，表現為不連續的爆發行為。增強子和啟動子作為三維染色質結構上主要調節轉錄爆發的元件，負責時空準確的基因表達，確保細胞功能的正常實現以及幫助細胞命運決策過程。最近的許多實驗研究都致力于了解基因組上調控元件之間的長程作用在調節轉錄爆發動力學中的作用。然而，三維染色質組織（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錄爆發模式的機制仍有待闡明。
近日，中山大學數學學院張家軍教授團隊開發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空間運動和慢時間尺度上的基因轉錄爆發過程（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錄爆發在空間和時間上的動態行為，即四維轉錄爆發動力學。模型分析和數值模擬揭示了冪律行為可以作為定性描述E-P空間通訊調控轉錄爆發的一般規律。具體地，E-P通訊強度通過正指數冪律上調爆發頻率和爆發大小。對標度指數的分析進一步理論揭示了E-P通訊主要調控爆發頻率。其次，E-P基因組距離通過負指數冪律下調轉錄爆發動力學，并且這種負調控在大的E-P基因組距離下達到飽和。爆發頻率（或爆發大小）和E-P空間距離之間的互信息進一步揭示了從E-P通訊到轉錄爆發動力學信息傳遞的本質特征。這些發現與實驗觀察結果一致，不僅揭示了轉錄爆發中E-P通訊的基本原理，而且對理解細胞決策至關重要。
圖1. E-P通訊如何調控轉錄爆發動力學的建模框架。
該研究以“Power-law behavior of transcriptional bursting regulated by enhancer–promoter communication”為題發表在國際學術期刊Genome Research上。中山大學數學學院博士后王子豪、博士后張圳泉和已畢業博士駱嵩豪為本文共同第一作者。中山大學數學學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計劃、國家自然科學基金等項目資助。
