埃雷茲·利伯曼·艾登在2000年還是普林斯頓大學的一名本科生，當時科學家們隆重宣佈，他們已經完成了第一個人類基因組的測序，從而獲得了關於每個人類細胞內部發生情況的大量資訊。但艾登想知道，如果能夠看到人類細胞內部發生的事情會是什麼樣子。這個巨大的基因組——如果你把它從細胞核中5微米寬的線圈中解開，它會延伸2米——實際上是如何工作的呢？
為了探究這個核心問題，他將自己的數學專業知識轉化為應用數學、健康科學和技術博士學位，並在麻省理工學院和哈佛大學工作，目前他是哈佛大學的研究員。今天在《科學》雜誌上，他解釋了這項工作的成果：一種繪製基因組的技術，該技術已經揭示了人類基因組的三維全貌。這篇文章獲得了今年的GE和《科學》雜誌青年生命科學家獎。
艾登和他的同事們提出的繪圖技術彌合了知識中的一個關鍵鴻溝——從最小的遺傳學層面（DNA的雙螺旋結構和鹼基對）到最大的層面（DNA聚集到包含大部分人類基因組的23條染色體中的方式）。中間層面，即數千或數百萬個鹼基對的量級，仍然模糊不清。
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由於基因組纏繞得非常緊密，一端的鹼基對可能與另一端的鹼基對非常接近，而僅僅通過了解鹼基對的序列是無法明顯看出的。借鑑20世紀90年代開始的工作，艾登和其他人已經能夠弄清楚哪些鹼基對彼此相鄰。從那裡，他們可以開始重建基因組——以三維形式。
解開的程式碼
即使多維繪圖技術仍處於早期階段，但它們在基礎生物學研究中的重要性正變得越來越明顯。“三維基因組是一件非常有力的工具，”艾登說。“生物學的一個核心謎團是，儘管不同的細胞共享相同的基因組，但它們是如何執行不同的功能的。” 例如，肝細胞如何“知道”執行其肝臟功能，而它包含的基因組與眼細胞中的基因組相同？隨著艾登和其他人將字母軌跡重構成一個三維實體，他們已經開始看到“基因組的摺疊方式決定了哪些基因被開啟和關閉，”他說。
艾登和他的同事們正在研究的一個假設是，任何給定細胞內遺傳資訊的配置本質上都像一份報紙一樣被安排。所有資訊都包含在裡面，但某些標題已被選為所謂的頭版。因此，肝細胞的基因組會將最重要和最相關的資訊設定為最容易訪問，而角膜中的細胞的摺疊方式則不同。
透過過去幾年的研究，艾登和他的同事們發現，在兆鹼基對（100萬個鹼基對）的水平上，人類基因組已經將自身包裹成一種被稱為分形球狀體的結構。儘管球狀體可能看起來像一團亂麻，但研究人員發現，透過分析鄰近資料，它實際上是一個組織精巧的結構，可以展開而不會纏結。
“雖然這聽起來可能很抽象，”艾登在他的新《科學》文章中寫道，“但分形球狀體很容易向研究生解釋，因為它與我們唯一能負擔得起的食物非常相似：拉麵。” 未煮熟時，30米長的麵條可以整齊地放入一個小包裝中，編織在一起而不會纏結。
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形式與功能
然而，結構——以及結構的變化——在多大程度上決定細胞活動，目前尚不清楚。“我認為很少有人懷疑，在某種意義上，這種形式-功能聯絡是否存在，”華盛頓大學的遺傳學家和計算機科學家威廉·諾布林說，他去年幫助建立了酵母基因組的三維地圖。“但問題是，兩者之間究竟是如何關聯的，以及因果關係的方向是什麼。”
弄清楚形式是否遵循功能——或者反之亦然——將有助於回答其他一些重大問題，例如“基因組結構中的缺陷是否會導致疾病”，以及環境或發育線索是否可以促使基因組“改變其結構以實現相應的基因組功能”，華盛頓幹細胞與再生醫學研究所的段志軍和2010年酵母基因組論文的合著者指出。
艾登和他的同事們目前正在努力提高地圖的解析度並加快測序速度，希望能回答其中的一些問題。然而，諾布林仍然懷疑艾登的方法是否能夠“希望為我們提供關於例如介導特定基因調控事件的個體相互作用的詳細見解”，他說。“為此，我們必須等待新技術。”
然而，我們可能不必等待太久。正如段志軍指出的那樣，“該領域已經吸引了巨大的研究努力，並且正在快速發展。”