埃雷兹·利伯曼·艾登在2000年还是普林斯顿大学的一名本科生，当时科学家们隆重宣布，他们已经完成了第一个人类基因组的测序，从而获得了关于每个人类细胞内部发生情况的大量信息。但艾登想知道，如果能够看到人类细胞内部发生的事情会是什么样子。这个巨大的基因组——如果你把它从细胞核中5微米宽的线圈中解开，它会延伸2米——实际上是如何工作的呢？
为了探究这个核心问题，他将自己的数学专业知识转化为应用数学、健康科学和技术博士学位，并在麻省理工学院和哈佛大学工作，目前他是哈佛大学的研究员。今天在《科学》杂志上，他解释了这项工作的成果：一种绘制基因组的技术，该技术已经揭示了人类基因组的三维全貌。这篇文章获得了今年的GE和《科学》杂志青年生命科学家奖。
艾登和他的同事们提出的绘图技术弥合了知识中的一个关键鸿沟——从最小的遗传学层面（DNA的双螺旋结构和碱基对）到最大的层面（DNA聚集到包含大部分人类基因组的23条染色体中的方式）。中间层面，即数千或数百万个碱基对的量级，仍然模糊不清。
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由于基因组缠绕得非常紧密，一端的碱基对可能与另一端的碱基对非常接近，而仅仅通过了解碱基对的序列是无法明显看出的。借鉴20世纪90年代开始的工作，艾登和其他人已经能够弄清楚哪些碱基对彼此相邻。从那里，他们可以开始重建基因组——以三维形式。
解开的代码
即使多维绘图技术仍处于早期阶段，但它们在基础生物学研究中的重要性正变得越来越明显。“三维基因组是一件非常有力的工具，”艾登说。“生物学的一个核心谜团是，尽管不同的细胞共享相同的基因组，但它们是如何执行不同的功能的。” 例如，肝细胞如何“知道”执行其肝脏功能，而它包含的基因组与眼细胞中的基因组相同？随着艾登和其他人将字母轨迹重构成一个三维实体，他们已经开始看到“基因组的折叠方式决定了哪些基因被打开和关闭，”他说。
艾登和他的同事们正在研究的一个假设是，任何给定细胞内遗传信息的配置本质上都像一份报纸一样被安排。所有信息都包含在里面，但某些标题已被选为所谓的头版。因此，肝细胞的基因组会将最重要和最相关的信息设置为最容易访问，而角膜中的细胞的折叠方式则不同。
通过过去几年的研究，艾登和他的同事们发现，在兆碱基对（100万个碱基对）的水平上，人类基因组已经将自身包裹成一种被称为分形球状体的结构。尽管球状体可能看起来像一团乱麻，但研究人员发现，通过分析邻近数据，它实际上是一个组织精巧的结构，可以展开而不会缠结。
“虽然这听起来可能很抽象，”艾登在他的新《科学》文章中写道，“但分形球状体很容易向研究生解释，因为它与我们唯一能负担得起的食物非常相似：拉面。” 未煮熟时，30米长的面条可以整齐地放入一个小包装中，编织在一起而不会缠结。
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形式与功能
然而，结构——以及结构的变化——在多大程度上决定细胞活动，目前尚不清楚。“我认为很少有人怀疑，在某种意义上，这种形式-功能联系是否存在，”华盛顿大学的遗传学家和计算机科学家威廉·诺布尔说，他去年帮助创建了酵母基因组的三维地图。“但问题是，两者之间究竟是如何关联的，以及因果关系的方向是什么。”
弄清楚形式是否遵循功能——或者反之亦然——将有助于回答其他一些重大问题，例如“基因组结构中的缺陷是否会导致疾病”，以及环境或发育线索是否可以促使基因组“改变其结构以实现相应的基因组功能”，华盛顿干细胞与再生医学研究所的段志军和2010年酵母基因组论文的合著者指出。
艾登和他的同事们目前正在努力提高地图的分辨率并加快测序速度，希望能回答其中的一些问题。然而，诺布尔仍然怀疑艾登的方法是否能够“希望为我们提供关于例如介导特定基因调控事件的个体相互作用的详细见解”，他说。“为此，我们必须等待新技术。”
然而，我们可能不必等待太久。正如段志军指出的那样，“该领域已经吸引了巨大的研究努力，并且正在快速发展。”