Новое понимание биофизических истоков организации генома в ядре клетки

Группа ученых открыла физические принципы-; ряды гидродинамических сил и течений- ; которые помогают обеспечить правильное функционирование жизненного плана. Его открытие позволяет по-новому взглянуть на геном и потенциально может предложить новые средства обнаружения генетических аберраций, связанных с нарушениями развития и заболеваниями человека.

«То, как геном организован и упакован внутри ядра, напрямую влияет на его биологическую функцию, однако физические принципы, лежащие в основе этой организации, далеки от понимания», — объясняет Александра Зедовска, доцент кафедры физики Нью-Йоркского университета и автор. Из статьи, опубликованной в журнале X физический обзор (PRX). «Наши результаты дают фундаментальное представление о биофизических истоках регуляции генома в ядре клетки».

«Эти знания необходимы для понимания функции генома», — добавляет Дэвид Сантиллан, профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Сан-Франциско и автор статьи.

«Наши результаты демонстрируют ключевую роль физики в организации генома и, следовательно, в его функционировании», — отмечает Майкл Шелли, профессор Института математических наук Куранта при Нью-Йоркском университете, исследователь Flatiron и автор статьи.

Группа, в которую также входили Вэнь Янь, ранее работавший в Центре вычислительной биологии Института Флэтайрон, и Ашал Махаджан, докторант Калифорнийского университета в Сан-Диего во время работы, сосредоточились на роли ядерной плазмы. жидкость, в которую погружен геном, и силы, которые его двигают, организуют его.

В частности, ученые исследовали силы, действующие на хромосомное вещество, или хроматин, ферментами, работающими в клеточном ядре. Здесь эти силы инициируют процессы, такие как транскрипция, и действуют таким образом, что влияют на пространственное расположение хроматина.

Эта организация влияет на биологическую функцию. Но, несмотря на решающую роль этого процесса в передаче генетической информации, физика, стоящая за ним, неясна.

Стремясь лучше понять эту динамику, ученые сосредоточились на сегментации генома на его основные части, эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин содержит в основном активно транскрибируемые гены, которые управляют экспрессией; гетерохроматин содержит гены, которые были заглушены; Следовательно, он не экспрессируется в клетке.

Чтобы зафиксировать это, они создали систему компьютерного моделирования, которая воспроизвела этот процесс с помощью серии симуляций. В их типичных ядрах образовалось 23 хроматиновых фибриллы; Количество хромосом в геноме человека — в виде эластичных нитей, набитых в наполненный жидкостью шарик. Каждая цепь была разделена на активные области, или эухроматин, и негативные гетерологичные области.

Они обнаружили, что когда энергетические силы воздействуют на волокна хроматина, они генерируют потоки в окружающей их жидкости, которые, в свою очередь, влияют на движение и положение окружающего хроматина. Эти силы сжимают гомологичные сегменты, и притоки вызывают значительные пространственные перестройки генома, заметно ведущие к образованию гетерогенных компартментов хроматина.

Однородные или активные части отталкивают негомологичные или неактивные части и сближают их. Таким образом клетка эффективно хранит неактивные гены.

Это имеет решающее значение для нашего здоровья -; Если этот процесс идет неправильно, организм не формируется должным образом и может привести к нарушениям развития и другим недугам, таким как развитие раковых клеток. «

Александра Зедовска, доцент физического факультета Нью-Йоркского университета