陕西大学生网
讲大学生故事·传大学生声音
首页

西安交大叶凯团队:基因组“折叠术”揭示生命演化法则

互联网 2026-05-20 浏览: 次

从单细胞到人类,生命为何能变得越来越复杂?无数细胞又是如何做到精密分工、各司其职的?西安交通大学教授叶凯团队通过对跨越38亿年、涵盖1025个物种的基因组数据进行分析,首次从“系统构架”的视角回答了这一长期悬而未决的核心谜题。该成果日前发表于国际学术期刊《细胞》。

生物学有一条基本信条:结构决定功能。但长期以来,科学家主要关注基因序列本身,却未能充分解析基因在细胞核内的空间折叠方式对演化的深层影响。如果把基因组比作一张设计图,那么这张设计图纸在三维空间中的折叠方式,影响了哪些基因被读取、哪些基因被沉默。正是这种肉眼看不见的物理结构,支撑着细胞的分工与协同。

然而,一个根本问题始终没有答案:基因组的三维结构本身是如何演化的?它凭什么支撑了生命从简单到复杂的系统跃升?

要回答这个问题,研究团队面临巨大挑战。他们需要从海量、来源各异的跨物种数据中提取出普适规律,这无异于大海捞针。为此,叶凯带领团队提出了一个大胆的想法:把线性的基因序列进行“图像化”升维,将复杂的三维互作数据转化为计算机视觉可以识别的特征图像,然后让AI来帮助寻找规律。

针对数据中的噪声和异质性难题,西安交通大学数学与统计学院教授孟德宇团队为此构建了数学底层模型,核心是稀疏表示与双层优化算法。简单来说,这个模型能把每个物种看似杂乱的三维基因组图谱“拆解”开来,再“重构”成少数几个本质构架模板的组合。

“它就像一套高精度的降噪和特征提取系统。”西安交通大学自动化学院博士研究生车一卓解释,正是这种“知识—数据双驱动”的研究范式,让跨越38亿年基因折叠演化规律的发现成为可能。

有了这套方法,团队首次清晰定义了两类核心的基因组高阶构架。

第一类叫“全局折叠”,即染色体在细胞核内的整体空间排布,好比建筑的承重结构。研究发现,这一构架在生命界普遍存在,但其强弱与生物复杂性无关。有趣的是,植物普遍强化了这一稳定构架。车一卓认为,这可能有助于植物应对固着生存带来的环境压力。

第二类叫“棋盘格局”,反映活跃与抑制的基因组区域在三维空间中的分隔程度,好比城市的功能区规划。研究揭示了一个关键规律:棋盘格局越强,生物复杂性越高。也就是说,生命体越复杂,其基因组三维组织就越趋向于精细的“分区化管理”。

进一步分析发现,动物和植物在演化中走上了两条不同的道路。动物弱化了“全局折叠”的刚性约束,为“棋盘格局”腾出发展空间,从而支撑了高度分化的细胞类型和复杂行为。植物则倾向于加固“全局折叠”这一硬件骨架,更多依赖基因簇等其他调控方式。两者在相似的复杂性水平上,演化出截然不同的内部调控策略。

令人惊叹的是,这一跨越38亿年的演化规律,在人类胚胎早期发育中得到了印证。人类胚胎发育同样经历了从强“全局折叠”向强“棋盘格局”的构架转换,而且这一转换期与细胞从全能性向多能性、再向特异功能分化的关键时期同步。

“从稳定骨架到动态分区,这个构架转换可能是生命系统实现从同质化向异质化跃升的共通法则。”叶凯说。

原文刊登于2026年5月19日《科技日报》第5版。

责任编辑:陕西大学生网
相关文章
西安理工大学校领导暑期深入一线慰问调研

西安理工大学校领导暑期深入一线慰问调研

盛夏时节,暑热持续。近日,西安理工大学党委书记李智军、校长刘云贺,副校长高勇、朱记伟、唐澍等校领导深入校园重点岗位和建设一线,走访慰问暑期坚守岗位的教职工,实地检查指导假期运行情况,并为高温下奋战的教职员工送去清凉饮品和防暑物资,表达学校

陕西科技大学党委书记樊建武赴商洛市调研

陕西科技大学党委书记樊建武赴商洛市调研

陕西科技大学党委书记樊建武一行于7月28日赴商洛市开展调研,与商洛市委书记周宇松,市委副书记、市长赵孝就进一步深化校地合作进行深入交流。商洛市委常委、副市长万松博,陕西科技大学副校长陆赵情参加调研。 在座谈会上,樊建武介绍了学校办学历史与学科

西安交大钱学森学院探索拔尖人才培养新范式

西安交大钱学森学院探索拔尖人才培养新范式

近年来,国内高校钱学森学院的建设步伐显著加快,办学主体从综合性大学、行业特色院校拓展至民办本科院校,形成多元布局。西安交通大学(简称西安交大)于2016年率先成立全国首个钱学森学院,随后南京理工大学(2017年)、南昌理工学院、武汉生物工程学院等

中国延安干部学院厅局级干部培训班赴西工大调研

中国延安干部学院厅局级干部培训班赴西工大调研

7月29日上午,中国延安干部学院“2026年厅局级干部加强政治训练培训班”一行来校调研。中国延安干部学院副院长王成文带队,学校党委常务副书记吕卫东陪同调研。 吕卫东对培训班学员的到来表示欢迎,并介绍了西工大的三大办学特色:一是“总师育人文化”深厚

法国CESI工程师学院校长来校访问交流

法国CESI工程师学院校长来校访问交流

7月24日上午,法国CESI工程师学院校长让-马克·奥吉尔访问我校,双方在长安校区行政楼举行座谈会。校长高新波出席并致辞。高新波对奥吉尔一行的到来表示热烈欢迎,并介绍了学校学科发展及建设成就。他指出,我校与CESI工程师学院在应用型工程师培养、产教融