Slowmotion -bølger af hoppende gener i det menneskelige genom

Naturen er fuld af parasitter - organismer, der blomstrer og formerer sig på bekostning af en anden art. Overraskende nok, de samme konkurrerende roller som parasit og vært kan findes i cellens mikroskopiske molekylære verden. En ny undersøgelse af to Illinois -forskere har vist, at dynamiske elementer i det menneskelige genom interagerer med hinanden på en måde, der stærkt ligner de mønstre, der ses i populationer af rovdyr og byttedyr.

Fundene, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve af fysikerne Chi Xue og Nigel Goldenfeld, er et vigtigt skridt i retning af at forstå de komplekse måder, som genomer ændrer sig over individuelle organismers levetid, og hvordan de udvikler sig gennem generationer.

"Det er gener, der er aktive og laver genomredigering i realtid i levende celler, og dette er en begyndelse på at virkelig forsøge at forstå dem meget mere detaljeret end tidligere er gjort, "sagde Goldenfeld, der leder forskningstemaet om biokompleksitet ved Carl R. Woese Institute for Universal Biology (IGB). "Dette hjælper os med at forstå udviklingen af ​​kompleksitet og udviklingen af ​​genomer."

Undersøgelsen blev støttet af Center for Physics of Living Cells, et Physics Frontiers Center i Illinois støttet af National Science Foundation, og NASA Astrobiology Institute for Universal Biology i Illinois, som Goldenfeld instruerer.

Goldenfeld og Xue gik i gang med dette arbejde på grund af deres interesse for transposoner, små DNA -områder, der kan flytte sig fra en del af genomet til en anden i løbet af en celles levetid - en kapacitet, der har givet dem navnet "springende gener". I fællesskab, forskellige typer transposoner udgør næsten halvdelen af ​​det menneskelige genom. Når de bevæger sig rundt, de kan skabe mutationer i eller ændre aktiviteten af ​​et funktionelt gen; transposoner kan derfor oprette nye genetiske profiler i en population for naturlig selektion at handle på, på en positiv eller negativ måde.

Illinois -forskerne ønskede at lære mere om, hvordan evolution fungerer på dette niveau, niveauet af hele organismer, ved at se på det menneskelige genoms metaforiske økosystem. I denne opfattelse, den fysiske struktur af det DNA, der udgør genomet, fungerer som et miljø, hvor to typer transposoner, lange interspersed atomelementer (LINE'er) og korte interspersed atomelementer (SINE'er), have et konkurrencemæssigt forhold til hinanden. For at replikere, SINE'er stjæler det molekylære maskineri, som LINE'er bruger til at kopiere sig selv, lidt som en gøgfugl lurer andre fugle til at rejse sine kyllinger til hende, mens de opgiver deres egne.

Med hjælp fra Oleg Simakov, en forsker ved Okinawa Institute of Science and Technology, Xue og Goldenfeld fokuserede på biologi af L1 -elementer og Alu -elementer, henholdsvis almindelige typer af LINE'er og SINE'er i det menneskelige genom.

Forskerne vedtog metoder fra moderne statistisk fysik og modellerede interaktionen mellem Alu og L1 -elementer matematisk som en stokastisk proces - en proces skabt af tilfældige interaktioner. Denne metode er med succes blevet anvendt i økologi til at beskrive interaktioner mellem rovdyr og bytte; Xue og Goldenfeld simulerede transposoners bevægelser inden for det menneskelige genom med den samme matematiske metode. Deres modeller indeholdt en detaljeret redegørelse for, hvordan Alu -elementer stjæler det molekylære maskineri, L1 -elementer bruger til at kopiere sig selv.

Xue og Goldenfelds resultater forudsagde, at populationer af LINE og SINE elementer i genomet forventes at svinge den måde, for eksempel, ulve og kaniner måske.

"Vi indså, at transposonernes interaktion faktisk lignede rovdyr-bytte-interaktionen i økologi, "sagde Xue." Vi kom på ideen, hvorfor anvender vi ikke den samme idé om rovdyr-byttedynamik. . . vi forventede at se de svingninger, vi ser i rovdyr-byttemodellen. Så vi lavede først simuleringen, og vi så de svingninger, vi forventede, og vi blev virkelig begejstrede. "

Med andre ord, for mange SINE'er og LINE'erne begynder at lide, og snart er der ikke nok til, at alle SINE'erne kan udnytte. SINE'er begynder at lide, og LINE'erne kommer tilbage. Xue og Goldenfelds model kom med den overraskende forudsigelse, at disse svingninger sker over en tidsperiode, der er længere end den menneskelige levetid - bølger af Alu -elementer og L1 -elementer, der skubber og trækker mod hinanden i slowmotion på tværs af generationer af de menneskelige genomer, der bærer dem.

"Det mest oplysende aspekt af undersøgelsen for mig var, at vi virkelig kunne beregne tidsskalaerne, og se, at det er muligt, at vi kunne observere disse ting, "sagde Goldenfeld." Vi har en forudsigelse for, hvad der sker i enkeltceller, og vi kan muligvis faktisk lave et eksperiment for at observere disse ting, selvom perioden er længere end en enkelt celles levetid. "

I en beslægtet undersøgelse, Goldenfelds laboratorium har samarbejdet med laboratoriet hos en anden fysiker og IGB Biocomplexity -forskningstema Thomas Kuhlman for at visualisere transposoners bevægelser inden for genomernes levende celler. Ved hjælp af denne type innovativ teknologi, og ved at studere historien om molekylær udvikling i andre arter, Goldenfeld og Xue håber at teste nogle af de forudsigelser, deres model har foretaget, og fortsat få indsigt i genomets dynamiske verden.