Fysikere modellerer kromosomfoldning, afslører, hvordan sløjfer påvirker den rumlige organisering af genomet

Menneskelige kromosomer er lange polymerkæder, der lagrer genetisk information. Kernen i hver celle indeholder hele det humane genom (DNA) kodet på 46 kromosomer med en samlet længde på omkring 2 meter. For at passe ind i den mikroskopiske cellekerne og samtidig give konstant adgang til genetisk information, foldes kromosomerne i kernen på en særlig forudbestemt måde. DNA-foldning er en presserende opgave i skæringspunktet mellem polymerfysik og systembiologi.

For et par år siden, som en af ​​mekanismerne for kromosomfoldning, fremsatte forskere en hypotese om aktiv ekstrudering af løkker på kromosomer ved hjælp af molekylære motorer. Selvom motorers evne til at ekstrudere DNA in vitro er blevet demonstreret, er det en teknisk meget vanskelig, næsten umulig opgave at observere sløjfer i en levende celle eksperimentelt.

Et team af videnskabsmænd fra Skoltech, MIT og andre førende videnskabelige organisationer i Rusland og USA har præsenteret en fysisk model af en polymer foldet i løkker. Den analytiske løsning af denne model gjorde det muligt for forskere at reproducere de universelle træk ved kromosompakning baseret på de eksperimentelle data - billedet viser peak-dip-afledte kurve for kontaktsandsynligheden.

Det teoretiske arbejde vil give forskere mulighed for at forstå, hvordan loop-ekstrudering påvirker kromosomets biofysiske egenskaber og udtrække parametre for disse loops fra de eksperimentelle data. Artiklen er publiceret i Physical Review X .

"Ekstruderingen af ​​løkker med motorer, som det ofte er tilfældet i biologi, er tilfældig - de dannes og forsvinder konstant. Dette forklarer især, hvorfor deres eksperimentelle påvisning i en enkelt levende celle er så vanskelig. Vi tog en anden tilgang. Vi udviklede en fysisk teori, der viser, hvordan tilfældigt fordelte sløjfer på en polymer ville påvirke polymerens rumlige organisering. Dernæst analyserede vi eksperimentelle data om den rumlige pakning af kromosomer opnået på milliarder af levende celler og fandt de samme statistiske træk der. siger Kirill Polovnikov, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, en adjunkt og leder af forskergruppen på Skoltech.

Den udviklede teori har gjort det muligt at bestemme den typiske størrelse af kromosomale løkker og deres tæthed. Derudover har forfatterne opdaget en ny topologisk effekt forbundet med loops. Når løkkerne ekstruderes, forkortes kædens rygrad, men den strækker sig ud i det tredimensionelle rum på grund af den såkaldte "fortynding af sammenfiltringer"-effekt i polymersystemet.

Forskerne har udviklet en analytisk model for denne effekt og har også bekræftet deres resultater i computersimuleringer. Teorien hjælper med at identificere og karakterisere kromosomsløjfer ved hjælp af eksperimentelle data og ændrer vores forståelse af den topologiske organisering af kromosomer i en levende celle.

"Ligesom astrofysikere finder nye exoplaneter ved faldet i lysstyrken af ​​moderstjernen under planetens passage, tilbyder vores teori et værktøj til at detektere 'sporet' af sløjfer i de genomiske data. Overraskende nok viser de identificerede karakteristika sig at være universel, ikke kun for mennesker, men også for andre organismers celler Tilsyneladende er foldning af kromosomer til sløjfer et af de mest generelle principper for den rumlige organisering af DNA," tilføjer Polovnikov.

Flere oplysninger: Kirill E. Polovnikov et al., Crumpled Polymer with Loops Recapitulates Key Features of Chromosome Organization, Physical Review X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041029

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology