Organisationen av det mänskliga genomet förlitar sig på fysiken i olika tillstånd av materia - som flytande och fasta - ett team av forskare har upptäckt. Resultaten, som avslöjar hur genomets fysiska natur förändras när celler transformeras för att fylla specifika funktioner, peka på nya sätt att potentiellt bättre förstå sjukdomar och att skapa förbättrade terapier för cancer och genetiska sjukdomar.

Genomet är biblioteket av genetisk information som är nödvändig för livet. Varje cell innehåller hela biblioteket, ändå använder den bara en del av denna information. Speciella typer av celler, såsom en vit blodkropp eller en neuron, har bara vissa "böcker" öppna - de som innehåller information som är relevant för deras funktion. Forskare har länge försökt fastställa hur genomet hanterar dessa enorma bibliotek och ger tillgång till de "böcker" som behövs, medan du förvarar bort de som inte används.

I den nyligen publicerade studien, som står i journalen Fysiska granskningsbrev, forskarna avslöjade hur detta händer i en cell.

"Vi fann att de delar av genomet som används är flytande, medan de oanvända delarna bildar solida öar, " förklarar Alexandra Zidovska, en biträdande professor vid New York Universitys institution för fysik och den seniora författaren till studien. "Dessa solid-liknande öar fungerar som biblioteksbokhyllor som lagrar böckerna med gener som inte används för närvarande, medan den flytande genomdelen fungerar som en "öppen bok", ' som är lättillgänglig och används för en cells liv och funktion."

Genomets genetiska information kodas i DNA-molekylen. Korrekt läsning och bearbetning av denna information är avgörande för människors hälsa och åldrande. I en mänsklig cell, genomet, som innehåller den genetiska koden, är inrymt i cellkärnan. Knappt 10 mikrometer i storlek - eller cirka 10 gånger mindre än bredden på en hårstrå - lagrar den cirka två meter DNA.

Att lagra denna enorma mängd genetisk information på ett så litet utrymme kräver packning på ett sådant sätt att varje bit av DNA, och därmed av genetisk kod, är lättillgänglig vid behov.

Vad som hade varit mindre förstått är hur denna information lagrades och vilken roll fysiken hade i den.

För att utforska detta fenomen, forskarna, som också inkluderade Iraj Eshghi och Jonah Eaton, NYU doktorander, jämfört celler före och efter att de blivit specialiserade.

Specifikt, forskarna kartlade genomets rörelser i kärnor av musstamceller - de som ännu inte har en specialiserad funktion, men är redo att bli vilken celltyp som helst, såsom en neuron eller en vit blodkropp — och låt sedan dessa celler genomgå en differentiering till neuronala celler innan de kartlägger de genomiska rörelserna igen. Genom att göra så, de genererade de första kartorna någonsin över ett genoms rörelser före och efter celldifferentiering.

Här fann de att stamceller håller sitt genom "öppet" - vilket gör det lika tillgängligt som en öppen bok, med "genetiska sidor" som är lätta att nå.

Dock, kartläggningen visade också att när en stamcell blir en specialiserad cell, t.ex. en neuron, Denna specialiserade cell håller bara de delar av arvsmassan som behövs för dess specifika funktion lättillgänglig. Det lägger undan de oanvända delarna av arvsmassan på "bokhyllor". Detta lämnar mer utrymme för information som aktivt läses upp och bearbetas.

"Dessa rörelser berättar exakt hur tillgängligt genomet är på en given plats i cellkärnan, " förklarar Zidovska. "Dessutom, dessa rörelser avslöjar det fysiska tillståndet för olika delar av genomet, med flytande delar som motsvarar löst packat DNA, och fasta delar som motsvarar tätt packade DNA-geler. Genompackningen i dessa olika materiatillstånd påverkar direkt genomets tillgänglighet; de flytande delarna är tillgängliga, i motsats till de solida delarna. Det fantastiska är att den här organisationen förlitar sig på fysik för olika tillstånd av materia, flytande och fast."

"Mätning av rörelser av distinkta delar av genomet gjorde det möjligt för oss att visa dessa olika fysiska egenskaper hos olika delar av genomet, och därmed förstå genomorganisationen – cellens bibliotekssystem, "", tillägger hon.

Ett korrekt cellulärt arkiveringssystem är avgörande för människors hälsa, konstaterar forskarna.

"Med tanke på det stora antalet celltyper i människokroppen, om en bok saknas eller är felplacerad i det här mobilbiblioteket, det kan leda till saknad eller onödig information, kan leda till utvecklings- och ärftliga störningar samt åkommor som cancer, " förklarar Zidovska. "Därför, Att avslöja hur genomet är organiserat inuti cellkärnan är avgörande för vår förståelse av dessa tillstånd och sjukdomar. Dessutom, sådan kunskap kan hjälpa oss att utforma framtida terapier och diagnostik av sådana störningar."