Naturen är full av parasiter - organismer som blomstrar och förökar sig på bekostnad av en annan art. Förvånande, samma konkurrerande roller som parasit och värd kan hittas i cellens mikroskopiska molekylära värld. En ny studie av två Illinois -forskare har visat att dynamiska element i det mänskliga genomet interagerar med varandra på ett sätt som starkt liknar mönstren som ses hos populationer av rovdjur och byten.

Resultaten, publicerad i Fysiska granskningsbrev av fysikerna Chi Xue och Nigel Goldenfeld, är ett viktigt steg mot att förstå de komplexa sätt som genomer förändras under enskilda organismers livstid, och hur de utvecklas under generationer.

"Detta är gener som är aktiva och gör genomredigering i realtid i levande celler, och detta är en början på att verkligen försöka förstå dem mycket mer detaljerat än vad som har gjorts tidigare, "sa Goldenfeld, som leder forskningstemat för biokomplexitet vid Carl R. Woese Institute for Universal Biology (IGB). "Detta hjälper oss att förstå utvecklingen av komplexitet och utvecklingen av genomer."

Studien stöddes av Center for Physics of Living Cells, ett Physics Frontiers Center i Illinois som stöds av National Science Foundation, och NASA Astrobiology Institute for Universal Biology i Illinois, som Goldenfeld regisserar.

Goldenfeld och Xue påbörjade detta arbete på grund av deras intresse för transposoner, små DNA -områden som kan flytta sig från en del av genomet till en annan under cellens livstid - en förmåga som har gett dem namnet "hoppande gener". Kollektivt, olika typer av transposoner utgör nästan hälften av det mänskliga genomet. När de rör sig, de kan skapa mutationer i eller förändra aktiviteten hos en funktionell gen; transposoner kan därför skapa nya genetiska profiler i en population för naturligt urval att agera utifrån, på ett positivt eller negativt sätt.

Illinois -forskarna ville lära sig mer om hur evolution fungerar på denna nivå, nivån på hela organismer, genom att titta på det metaforiska ekosystemet i det mänskliga genomet. I denna syn, den fysiska strukturen hos DNA:t som utgör genomet fungerar som en miljö, där två typer av transposoner, långa kärnkärnelement (LINE) och korta kärnkärniga element (SINE), ha en konkurrensrelation med varandra. För att replikera, SINEs stjäl molekylära maskiner som LINE använder för att kopiera sig själva, ungefär som en gökfågel lurar andra fåglar att höja sina ungar för henne medan de överger sina egna.

Med hjälp av Oleg Simakov, en forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology, Xue och Goldenfeld fokuserade på biologin av L1 -element och Alu -element, respektive vanliga typer av LINE och SINE i det mänskliga genomet.

Forskarna antog metoder från modern statistisk fysik och modellerade interaktionen mellan Alu- och L1 -element matematiskt som en stokastisk process - en process skapad av slumpinteraktioner. Denna metod har framgångsrikt tillämpats inom ekologi för att beskriva interaktioner mellan rovdjur och byte; Xue och Goldenfeld simulerade transposonernas rörelser inom det mänskliga genomet med samma matematiska metod. Deras modeller inkluderade en detaljerad redogörelse för hur Alu -element stjäl molekylära maskiner L1 -element använder för att kopiera sig själva.

Xue och Goldenfelds resultat förutspådde att populationer av LINE- och SINE -element i genomet förväntas oscillera hur de hos, till exempel, vargar och kaniner kanske.

"Vi insåg att transposonernas interaktion faktiskt var ungefär som rovdjur-bytesinteraktionen inom ekologi, "sa Xue." Vi kom på idén, varför använder vi inte samma idé om rovdjur-bytesdynamik. . .väntade oss att se svängningarna som vi ser i modellen rovdjur-byte. Så vi gjorde först simuleringen och vi såg de svängningar vi förväntade oss, och vi blev riktigt glada. "

Med andra ord, för många SINE och LINE börjar lida, och snart finns det inte tillräckligt för alla SINE att utnyttja. SINEs börjar lida, och LINE:erna kommer tillbaka. Xue och Goldenfelds modell gjorde den överraskande förutsägelsen att dessa svängningar sker över en tidsperiod som är längre än den mänskliga livslängden - vågor av Alu -element och L1 -element som skjuter och drar mot varandra i långsam rörelse över generationer av de mänskliga genomerna som bär dem.

"Den mest upplysande aspekten av studien för mig var det faktum att vi verkligen kunde beräkna tidsskalorna, och se att det är möjligt att vi kan observera dessa saker, "sa Goldenfeld." Vi har en förutsägelse för vad som händer i enstaka celler, och vi kan faktiskt göra ett experiment för att observera dessa saker, även om perioden är längre än en cells livstid. "

I en relaterad studie, Goldenfelds laboratorium har samarbetat med laboratoriet för medfysiker och forskare i temat Thomas Kuhlman för IGB Biokomplexitet för att visualisera transposoners rörelser inom levande cellers genomer. Med denna typ av innovativ teknik, och genom att studera historien om molekylär evolution hos andra arter, Goldenfeld och Xue hoppas kunna testa några av de förutsägelser som gjorts av deras modell och fortsätta att få insikt i genomets dynamiska värld.