Mänskliga kromosomer är långa polymerkedjor som lagrar genetisk information. Kärnan i varje cell innehåller hela det mänskliga genomet (DNA) kodat på 46 kromosomer med en total längd på cirka 2 meter. För att passa in i den mikroskopiska cellkärnan och samtidigt ge konstant tillgång till genetisk information viks kromosomerna in i kärnan på ett speciellt, förutbestämt sätt. DNA-veckning är en brådskande uppgift i skärningspunkten mellan polymerfysik och systembiologi.
För några år sedan, som en av mekanismerna för kromosomveckning, lade forskare fram en hypotes om aktiv extrudering av slingor på kromosomer av molekylära motorer. Även om motorers förmåga att extrudera DNA in vitro har visats, är det en tekniskt mycket svår, nästan omöjlig, uppgift att observera slingor i en levande cell experimentellt.
Ett team av forskare från Skoltech, MIT och andra ledande vetenskapliga organisationer i Ryssland och USA har presenterat en fysisk modell av en polymer vikta till öglor. Den analytiska lösningen av denna modell gjorde det möjligt för forskare att reproducera de universella egenskaperna hos kromosompackning baserat på experimentella data – bilden visar topp-dip-derivatkurvan för kontaktsannolikheten.
Det teoretiska arbetet kommer att tillåta forskare att förstå hur loopextrudering påverkar kromosomens biofysiska egenskaper och extrahera parametrar för dessa loopar från experimentdata. Artikeln är publicerad i Physical Review X .
"Extruderingen av slingor av motorer, som ofta är fallet inom biologi, är slumpmässigt - de bildas och försvinner ständigt. Detta förklarar i synnerhet varför deras experimentella upptäckt i en enda levande cell är så svårt. Vi tog ett annat tillvägagångssätt. Vi utvecklade en fysikalisk teori som visar hur slumpmässigt fördelade slingor på en polymer skulle påverka den rumsliga organisationen av polymeren. Därefter analyserade vi experimentella data om den rumsliga packningen av kromosomer som erhölls på miljarder levande celler och hittade samma statistiska egenskaper där." säger Kirill Polovnikov, huvudförfattare till studien, biträdande professor och chef för forskargruppen vid Skoltech.
Den utvecklade teorin har gjort det möjligt att bestämma den typiska storleken på kromosomslingor och deras densitet. Dessutom har författarna upptäckt en ny topologisk effekt associerad med loopar. När slingorna extruderas förkortas kedjans ryggrad, men den sträcker sig ut i det tredimensionella utrymmet på grund av den så kallade "utspädningseffekten" i polymersystemet.
Forskarna har utvecklat en analytisk modell av denna effekt och även bekräftat sina resultat i datorsimuleringar. Teorin hjälper till att identifiera och karakterisera kromosomslingor med hjälp av experimentella data och förändrar vår förståelse av den topologiska organisationen av kromosomer i en levande cell.
"Precis som astrofysiker hittar nya exoplaneter genom att moderstjärnans ljusstyrka minskar under planetens passage, erbjuder vår teori ett verktyg för att detektera "spår" av slingor i genomdata. Överraskande nog visar sig de identifierade egenskaperna vara vara universell inte bara för människor, utan också för celler från andra organismer Tydligen är veckningen av kromosomer till slingor en av de mest allmänna principerna för den rumsliga organisationen av DNA, tillägger Polovnikov.
Mer information: 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
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
