Matematik gør det muligt for videnskabsmænd at forstå organisationen i en cellekerne

Science fiction-forfatteren Arthur C. Clarkes tredje lov siger, at "enhver tilstrækkeligt avanceret teknologi kan ikke skelnes fra magi."

Indika Rajapakse, Ph.D., er troende. Ingeniøren og matematikeren er nu biolog. Og han mener, at skønheden ved at blande disse tre discipliner er afgørende for at optrevle, hvordan celler fungerer.

Hans seneste udvikling er en ny matematisk teknik til at begynde at forstå, hvordan en celles kerne er organiseret. Teknikken, som Rajapakse og samarbejdspartnere testede på flere typer celler, afslørede, hvad forskerne kaldte selvbærende transkriptionsklynger, en undergruppe af proteiner, der spiller en nøglerolle i at opretholde celleidentitet.

De håber, at denne forståelse vil afsløre sårbarheder, der kan målrettes for at omprogrammere en celle til at stoppe kræft eller andre sygdomme.

"Flere og flere kræftbiologer mener, at genomorganisering spiller en enorm rolle i forståelsen af ​​ukontrollerbar celledeling, og om vi kan omprogrammere en kræftcelle. Det betyder, at vi er nødt til at forstå flere detaljer om, hvad der sker i kernen," siger Rajapakse, lektor i computational. medicin og bioinformatik, matematik og biomedicinsk teknik ved University of Michigan. Han er også medlem af U-M Rogel Cancer Center.

Rajapakse er seniorforfatter på papiret, udgivet i Nature Communications . Projektet blev ledet af en trio af kandidatstuderende med et tværfagligt team af forskere.

Holdet forbedrede en ældre teknologi til at undersøge kromatin, kaldet Hi-C, der kortlægger hvilke dele af genomet, der er tæt på hinanden. Det kan identificere kromosomtranslokationer, som dem der forekommer i nogle kræftformer. Dens begrænsning er imidlertid, at den kun ser disse tilstødende genomiske regioner.

Den nye teknologi, kaldet Pore-C, bruger meget flere data til at visualisere, hvordan alle dele i en celles kerne interagerer. Forskerne brugte en matematisk teknik kaldet hypergrafer. Tænk:tredimensionelt Venn-diagram. Det giver forskerne mulighed for at se ikke kun par af genomiske regioner, der interagerer, men helheden af ​​de komplekse og overlappende genom-dækkende relationer i cellerne.

"Dette multi-dimensionelle forhold kan vi forstå utvetydigt. Det giver os en mere detaljeret måde at forstå organisatoriske principper inde i kernen. Hvis du forstår det, kan du også forstå, hvor disse organisatoriske principper afviger, som i kræft," sagde Rajapakse. "Dette er som at sætte tre verdener sammen - teknologi, matematik og biologi - for at studere flere detaljer inde i kernen."

Forskerne testede deres tilgang på neonatale fibroblaster, biopsierede voksne fibroblaster og B-lymfocytter. De identificerede organisationer af transkriptionsklynger, der er specifikke for hver celletype. De fandt også, hvad de kaldte selvbærende transkriptionsklynger, som tjener som nøgletransskriptionssignaturer for en celletype.

Rajapakse beskriver dette som det første skridt i et større billede.

"Mit mål er at konstruere denne slags billede over cellecyklussen for at forstå, hvordan en celle går gennem forskellige stadier. Kræft er ukontrollerbar celledeling," sagde Rajapakse. "Hvis vi forstår, hvordan en normal celle ændrer sig over tid, kan vi begynde at undersøge kontrollerede og ukontrollerede systemer og finde måder at omprogrammere det system på." + Udforsk yderligere

Afsløring af mysterierne bag genomstrukturen i den menneskelige cellekerne ved hjælp af en 3D-beregningssimulering