基因组测序发现了大量与基因表达调控有关的DNA信息，以及不同的遗传序列对人体健康和疾病的影响。但是，这些研究都忽略了基因组的一个关键要素，即基因组的空间结构。基因组的空间结构一直以来被公认是基因表达的一个重要调控因素。调控元件通常与它所调控的目标距离数千个碱基对的距离，目前最新的技术让科学家可以确定在细胞中，染色体上相隔“遥远”的DNA区域是如何互作的。科学家们表示，建立基因组的3D结构并研究其功能是遗传学的下一个研究前沿。
美国麻省大学医学院分子遗传学家Job Dekker认为基因组空间结构对基因调控及其关键，“染色体的所有其他作用也涉及3D结构。”在细胞分裂时，染色体必须正确地复制、分离，并且在细胞周期中会改变形状，但是整个过程有条不紊。Dekker说，基因组“在细胞分离后完全重建了”。
但是，染色体的这种精妙的编排的机制仍然不为人所知。大约10年前，也就是人类基因组计划刚刚完成其草图的时候，Dekker开创了一种新的技术，叫做染色体构象捕捉（C3），该技术可以让科研人员对细胞核内染色体之间的互相编排窥见一斑。染色体构象捕捉技术基于染色体间彼此接近区域的物理交联，对这些区域进行测序后可以确定那些区域发生了交联。2009年，Dekker和同事利用该技术的高通量版本——HiC技术发现，人类基因组似乎采用了“不规则球体（fractal globule）”的方式来确保染色体在扭曲时不出现打结的问题。
在过去3年，Dekker和其他科学家对这种技术进行了进一步的提升，使得科学家可用之绘制更为精确的基因组折叠，以及这些折叠如何影响基因表达和疾病状态的图像。
染色体的“交流”
Dekker在2009年的研究在基因组折叠的建模方面是一个突破性的成功，但是当时100万碱基对的分辨率过于粗糙，科学家不能真正利用其来了解基因与歌厅调控区域是如何反应的。Dekker表示，要了解细胞是怎么知道基因组中哪些区域应该与其他区域互相“交流”，哪些不需要，则还需要更多的细节。总之，“你不会想要每个区域之间都有‘交流’，你希望你的基因组进行恰当的‘沟通’。”
在深度测序方面的一些最新的发展现在可以让研究人员获得所需要的细节信息了。例如，Dekker和他的同事发现，染色体会分为好几个折叠域（folding domain），在这个含兆级碱基数的折叠域中，基因和调控元件彼此间关联的频率要高于与其他染色体区域中的基因和调控元件发生关联的频率。在折叠域中DNA形成的环形结构使基因可以与染色体上本来相距很远的调控元件接触。加州大学的分子生物学家任兵（Bing Ren，音译）当时也在同期的Nature杂志上发表了相同的发现。
这两个研究团队的研究人员在小鼠和人类胚胎干细胞以及人类成纤维细胞中发现了这些折叠域。任兵表示，这些发现表明它们是“基因组的基本特征”。此外，两个研究团队都发现，将折叠域中的边界部分（boundary section）删除后会使得基因调控变得混乱，导致原来沉默的基因被转录，而原来应该转录的则沉默了。这些研究发现都证实，“折叠域结构于对保持基因程序受到严密调控是必不可少的。”
Dekker说：“我认为折叠域的发现是过去10年最重要的基础遗传学发现之一。”现在，最大的问题就是，这些域是怎么形成的，是什么决定了哪些元件应该被纳入环中彼此靠近。
染色体与癌症
除了影响基因调控，染色体折叠还对癌症的发育中发挥重要作用。体细胞拷贝数变化（SCNA）、基因的缺失或扩增都是癌症基因组不稳定的标志。麻省理工学院的Leonid Mirny的实验室与Dekker在2009年合作发现了“不规则球体”，Leonid Mirny发现，是基因组中的环促成了特定SCNA的形成。将SCNA图谱与人类癌症基因组的3D结构进行对比后，Mirny和同事们发现，染色体中形成环形结构末端的基因组区域很可能就是发生缺失或复制的地方。
染色体区域的易位或排列异常是某些癌症的另一个标志，空间结构似乎促进了这样的易位或排列异常的发生。Mirny和其团队发现，两个已被研究透彻的易位——慢性髓细胞性白血病中的Bcr-Abl易位、伯基特氏淋巴瘤中的Myc与免疫球蛋白基因间的易位——在正常细胞中经常被发现挨在一块，尤其是在这些肿瘤的易感细胞系中。
易位中的组织特异性差异可能与不同细胞类型中基因组结构的细微差别有关。“可能在不同的组织类型中还存在特定的基因组结构需要我们去发现。”Mirny说。Dekker表示，染色体结构中的差异的形成是另外一个成熟的研究领域。例如，根据细胞的类型以及环境因素，可以通过细胞内的一些标记物对染色体折叠域进行研究。Dekker推测，“如果域的边界是灵活可变的——根据细胞类型而打开或关闭——基因就会突然接触到全新的调控元件。”
除了可以用来更好地了解癌症，染色体折叠还可以预测癌症。美国NIH国家癌症研究所的细胞生物学家Tom Misteli表示，当正常的细胞转变为肿瘤细胞时，基因会以特定方式改变它们的空间结构。Tom Misteli利用基因组的3D结构开发了一种诊断工具。他的团队研究发现，在乳腺癌中，特定的基因“在细胞转变为肿瘤细胞时戏剧性地改变了它们的位置”Misteli开发的这种工具可以让他们进行未知组织的切片检查、定位基因，以很高的准确度来判定是癌症还是正常。
