Hvordan er genomet som en åben bog? Ny forskning viser cellebibliotekssystem

Organiseringen af ​​det menneskelige genom er afhængig af fysik af forskellige materiens tilstande - såsom flydende og fast stof - har et hold af forskere opdaget. Fundene, som afslører, hvordan genomets fysiske natur ændrer sig, når celler transformeres til at tjene specifikke funktioner, pege på nye måder til potentielt bedre at forstå sygdom og skabe forbedrede behandlingsformer for kræft og genetiske lidelser.

Genomet er biblioteket af genetisk information, der er afgørende for livet. Hver celle indeholder hele biblioteket, alligevel bruger den kun en del af denne information. Særlige typer celler, såsom et hvidt blodlegeme eller et neuron, har kun visse "bøger" åbne - dem, der indeholder information, der er relevant for deres funktion. Forskere har længe søgt at fastslå, hvordan genomet styrer disse enorme biblioteker og giver adgang til de "bøger", der er nødvendige, mens du opbevarer dem, der ikke er i brug.

I den nyligt offentliggjorte undersøgelse, som står i journalen Fysiske anmeldelsesbreve, forskerne afslørede, hvordan dette sker i en celle.

"Vi fandt ud af, at de dele af genomet, der bliver brugt, er flydende, mens de ubrugte dele danner faste øer, " forklarer Alexandra Zidovska, en assisterende professor ved New York University's Department of Physics og seniorforfatter af undersøgelsen. "Disse solid-lignende øer tjener som biblioteksbogreoler, der opbevarer bøgerne med gener, der ikke er i brug i øjeblikket, mens den flydende genom-del fungerer som en "åben bog", ' som er let tilgængelig og bruges til en celles liv og funktion."

Genomets genetiske information er kodet i DNA-molekylet. Korrekt læsning og behandling af disse oplysninger er afgørende for menneskers sundhed og aldring. I en menneskelig celle, genomet, som indeholder den genetiske kode, er placeret i cellekernen. Knap 10 mikrometer i størrelse - eller omkring 10 gange mindre end bredden af ​​en streng menneskehår - lagrer den omkring to meter DNA.

At lagre denne enorme mængde genetisk information på så lille et rum kræver pakning på en sådan måde, at hvert stykke DNA, og dermed af genetisk kode, er let tilgængelig, når det er nødvendigt.

Hvad der var blevet mindre forstået, er, hvordan denne information blev lagret, og hvad fysikkens rolle var i den.

For at udforske dette fænomen, forskerne, som også inkluderede Iraj Eshghi og Jonah Eaton, NYU ph.d.-kandidater, sammenlignet celler før og efter de er blevet specialiserede.

Specifikt, forskerne kortlagde bevægelser af genomet i kerner af musestamceller - dem, der endnu ikke har en specialiseret funktion, men er klar til at blive en hvilken som helst celletype, såsom et neuron eller et hvidt blodlegeme - og lad derefter disse celler gennemgå en differentiering til neuronale celler, før de igen kortlægges de genomiske bevægelser. Derved, de genererede de første kort nogensinde over et genoms bevægelser før og efter celledifferentiering.

Her fandt de ud af, at stamceller holder deres genom "åbent" - hvilket gør det lige så tilgængeligt som en åben bog, hvor "genetiske sider" er let tilgængelige.

Imidlertid, kortlægningen viste også, at når en stamcelle bliver en specialiseret celle, f.eks. en neuron, denne specialiserede celle holder kun let tilgængelige dele af genomet, som er nødvendige for dens specifikke funktion. Det lægger de ubrugte dele af genomet væk på "boghylderne". Dette giver mere plads til information, der aktivt bliver læst op og behandlet.

"Disse bevægelser fortæller os præcis, hvor tilgængeligt genomet er på et givet sted i cellekernen, " forklarer Zidovska. "Desuden, disse bevægelser afslører den fysiske tilstand af forskellige dele af genomet, med flydende dele svarende til løst pakket DNA, og faste dele svarende til tætpakkede DNA-geler. Genompakningen i disse forskellige stoftilstande påvirker direkte genomets tilgængelighed; de flydende dele er tilgængelige, i modsætning til de faste dele. Det forbløffende er, at denne organisation er afhængig af fysik af forskellige stoftilstande, flydende og fast."

"Måling af bevægelser af forskellige dele af genomet gjorde det muligt for os at vise disse forskellige fysiske egenskaber af forskellige dele af genomet, og dermed forstå genomorganisationen - cellens 'bibliotekssystem', "" tilføjer hun.

Et ordentligt cellulært arkiveringssystem er afgørende for menneskers sundhed, konstaterer forskerne.

"I betragtning af det store antal celletyper i den menneskelige krop, hvis en bog mangler eller er malplaceret i dette mobilbibliotek, det kan føre til manglende eller unødvendige oplysninger, muligvis fører til udviklingsmæssige og arvelige lidelser samt lidelser som kræft, " forklarer Zidovska. "Derfor, at afsløre, hvordan genomet er organiseret inde i cellekernen, er afgørende for vores forståelse af disse tilstande og sygdomme. I øvrigt, sådan viden kan hjælpe os med at designe fremtidige terapier og diagnostik af sådanne lidelser."