Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Anvendelse af Goldilocks -princippet på DNA -struktur

Olga Dudko bruger en ladestreng til at demonstrere genomiske interaktioner inden for en cellekerne. Kredit:Michelle Fredricks, UC San Diego Physical Sciences

Eventyrets berømmelse Goldilocks vidste noget om grød. Det skulle være helt rigtigt - hverken for varmt eller for koldt. Det samme med møbler - hverken for hårdt eller for blødt. I en anden kontekst, videnskabsfolk ved UC San Diego ved noget om DNA. De ved, at delene af vores genetiske kode, hvis forlænget, ville måle to meter, eller omkring seks fod. De ved også, at trådene foldes ind og bevæger sig inden i cellekernen på størrelse med omkring en hundrededel af en millimeter. Men de ved ikke, hvordan og i hvilken tilstand der sker, så de besluttede at tjekke.

Inspireret af ideer fra fysikken i faseovergange og polymerfysik, forskere i divisionerne for fysiske og biologiske videnskaber ved UC San Diego satte sig specifikt ud for at bestemme organisationen af ​​DNA inde i kernen i en levende celle. Resultaterne af deres undersøgelse, for nylig offentliggjort i Naturkommunikation , foreslå, at fasetilstanden for det genomiske DNA "er helt rigtige" - en gel klar til fasegrænsen mellem gel og sol, fast-væske faseovergangen.

Tænk på budding, panna cotta - eller endda grød. Konsistensen af ​​disse delikatesser skal være den helt rigtige for at blive nydt ideelt. Ligesom faseovergangen med "sol-gel", ifølge forskerne, virker helt rigtige til at forklare tidspunktet for genomiske interaktioner, der dikterer genekspression og somatisk rekombination.

"Dette fund peger på et generelt fysisk princip for kromosomal organisation, som har vigtige konsekvenser for mange centrale processer i biologi, fra antistofproduktion til vævsdifferentiering, "sagde Olga Dudko, en teoretisk biofysiker og professor i Institut for Fysik ved UC San Diego, der samarbejdede med kollega Cornelis Murre, en fornem professor i sektionen for molekylærbiologi, på undersøgelsen.

Sammen med Dudkos tidligere kandidatstuderende Yaojun Zhang, nu en postdoktorforsker ved Princeton, og Murres postdoktor Nimish Khanna, teamet indsamlede og analyserede data om DNA-bevægelse inde i levende pattedyrs B-celler fra mus for at forstå, hvordan fjerntliggende genomiske interaktioner genererer en mangfoldig pool af antistoffer af det adaptive immunsystem.

Fysik kandidatstuderende Bin Wang, der arbejder med Dudko, kortlægger tidsmæssige og rumlige aspekter af forskningen. Kredit:Michelle Fredricks, UC San Diego Physical Sciences

Hos pattedyr, såsom gnavere og mennesker, immunoglobin -gensegmenter er arrangeret i grupper med variabel (V), diversitet (D) og sammenføjning (J) segmenter. Disse V, D- og J -segmenter kombineres tilfældigt gennem processen med somatisk rekombination. Dette sker før antigenkontakt og under B-celleudvikling i immunsystemets lymfoide væv, eller knoglemarv. Disse tilfældige genetiske interaktioner resulterer i forskellige proteinkoder, der matcher antigener, der aktiverer lymfocytter.

Forskerne undersøgte de forskellige interaktioner mellem V- og DJ -gensegmenter. Selvom præcist disse interaktioner forekommer, er det stadig ukendt, UC San Diego-forskerne udviklede en strategi til at spore V- og DJ-bevægelse i B-lymfocytter. De fandt ud af, at V- og DJ -segmenter var fanget i konfigurationer, der kun tillod lokal bevægelse - med andre ord, segmenterne forblev rumligt proksimale, hvis de oprindeligt var tæt på, eller de forblev adskilte, hvis de i første omgang var rumligt fjerne. Forskerne observerede også, inden for en delmængde af celler, pludselige ændringer i V- og DJ -bevægelse, sandsynligvis forårsaget af tidsmæssige ændringer i kromatin.

Ved at sammenligne eksperimentelle og simulerede data, forskerne konkluderede, at begrænset bevægelse pålægges af et netværk af tværbundne kromatinkæder, eller et net af broer mellem DNA -strengene, der er karakteristiske for en gelfase. Endnu, mængden af ​​disse tværbindinger er "lige til" for at gøre DNA tæt på solfasen-en flydende fase, der beskriver en løsning af ikke-tværbundne kæder.

Dette mønster foreslog forskerne, at der eksisterer et bestemt organisatorisk princip for genomisk DNA-nærhed til sol-gel-faseovergangen-hvilket forklarer, hvordan genomet samtidig kan besidde stabilitet og lydhørhed i kernen.

Disse resultater indikerer, at pakningsmønsteret af DNA i en celles kerne har konsekvenser for en celles skæbne - uanset om det bliver til en levende eller syg celle.

"Vi har strenge teorier fra fysik-abstrakte principper og matematiske ligninger. Vi har state-of-the-art eksperimenter på biologi-innovativ sporing af gensegmenter i levende pattedyrcellekerner, "bemærkede Zhang." Det undrer mig virkelig og begejstrer mig, når de to aspekter smelter sammen i en historie, hvor fysik ikke bare er et redskab til at beskrive dynamikken i gensegmenter, men hjælper med at lokalisere genomets fysiske tilstand, og kaster yderligere lys over virkningen af ​​denne stats fysiske egenskaber på dens biologiske funktion. "

Varme artikler