中大新闻网讯（通讯张家军）基因表达是与三维基因组结构密切相关且受到结构高度调控的过程，表现为不连续的爆发行为。增强子和启动子作为三维染色质结构上主要调节转录爆发的元件，负责时空准确的基因表达，确保细胞功能的正常实现以及帮助细胞命运决策过程。最近的许多实验研究都致力于了解基因组上调控元件之间的长程作用在调节转录爆发动力学中的作用。然而，三维染色质组织（特别是三维增强子-启动子（E-P）空间通讯）是如何随一维时间形成转录爆发模式的机制仍有待阐明。
近日，中山大学数学学院张家军教授团队开发了一个通用的理论框架，该框架整合了快时间尺度上的染色质空间运动和慢时间尺度上的基因转录爆发过程（图1），并且这一框架可以被公式化为四维核体方程（4D nucleome equation）。课题组研究人员使用这一框架来分析转录爆发在空间和时间上的动态行为，即四维转录爆发动力学。模型分析和数值模拟揭示了幂律行为可以作为定性描述E-P空间通讯调控转录爆发的一般规律。具体地，E-P通讯强度通过正指数幂律上调爆发频率和爆发大小。对标度指数的分析进一步理论揭示了E-P通讯主要调控爆发频率。其次，E-P基因组距离通过负指数幂律下调转录爆发动力学，并且这种负调控在大的E-P基因组距离下达到饱和。爆发频率（或爆发大小）和E-P空间距离之间的互信息进一步揭示了从E-P通讯到转录爆发动力学信息传递的本质特征。这些发现与实验观察结果一致，不仅揭示了转录爆发中E-P通讯的基本原理，而且对理解细胞决策至关重要。
图1. E-P通讯如何调控转录爆发动力学的建模框架。
该研究以“Power-law behavior of transcriptional bursting regulated by enhancer–promoter communication”为题发表在国际学术期刊Genome Research上。中山大学数学学院博士后王子豪、博士后张圳泉和已毕业博士骆嵩豪为本文共同第一作者。中山大学数学学院周天寿教授为共同通讯作者，张家军教授为最后通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
