簡單而強大的模型預(yù)測DNA組織

科學(xué)家經(jīng)常試圖通過干擾和觀察發(fā)生的事情來了解細(xì)胞中的重要過程。但細(xì)胞通常會死亡。這就是斯坦福大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)與工程副教授安德魯斯帕科維茨(Andrew Spakowitz)預(yù)見到的問題，他們試圖了解科學(xué)家如何在我們的細(xì)胞中組織DNA的基本信息。

為了解決這個問題，Spakowitz和他的團隊建立了一個計算機模型來操作模擬中的“細(xì)胞” - 而不會殺死過程中的任何真實細(xì)胞。他們的模型預(yù)測細(xì)胞的變化如何影響DNA的包裝方式。這些信息將為其他實驗室實驗奠定基礎(chǔ)，以了解DNA組織如何影響哪些基因被打開或關(guān)閉。

斯帕科維茨說：“問題在于是否有希望在一個無可否認(rèn)的復(fù)雜生活系統(tǒng)中捕獲必要的行為，而這些系統(tǒng)就像我們的模型一樣簡單。” 他們在“ 美國國家科學(xué)院院刊”上報道的答案是肯定的。

組織DNA

每個人體細(xì)胞中大約有6英尺的DNA。為了適應(yīng)所有這些，長鏈的DNA纏繞在稱為組蛋白的蛋白質(zhì)簇周圍。緊密纏繞的DNA中的基因(稱為異染色質(zhì))經(jīng)常被關(guān)閉，因為細(xì)胞很難進(jìn)入。

計算機模型顯示異染色質(zhì)區(qū)域，看起來像密集的一串字符串，以及稱為常染色質(zhì)的開放區(qū)域 - 基因通?；钴S的地方。通過研究DNA如何被包裝在細(xì)胞中，研究人員可以推斷出哪些基因可能被打開或關(guān)閉。

“建立DNA的物理組織與基因表達(dá)之間的聯(lián)系是理解細(xì)胞如何控制哪些基因表達(dá)以及哪些不表達(dá)的重要步驟，”Spakowitz說。

為了解決定DNA如何組織的因素，Spakowitz和他的團隊調(diào)整了計算機模型中的“細(xì)胞”，以了解某些變化將如何影響DNA在細(xì)胞核中的包裝。例如，當(dāng)他們添加更多的HP1蛋白質(zhì)參與基因關(guān)閉時，DNA形成了密集的團塊。這些區(qū)域的組蛋白也標(biāo)有化學(xué)基團，可以使附近的基因沉默。

現(xiàn)實的典范

為了驗證他們的模型是否有效，該團隊將模型的預(yù)測與實際實驗的結(jié)果進(jìn)行了比較。他們分析了實驗室實驗中的數(shù)據(jù)，這些實驗在特定時刻凍結(jié)細(xì)胞，基本上可以快速了解DNA的組織方式。當(dāng)團隊在模型中模擬這些實驗時，他們看到了與真實細(xì)胞中相同的結(jié)果。

Spakowitz實驗室的物理博士候選人Quinn MacPherson表示，“僅僅考慮一個因素就可以顯示模擬和實驗數(shù)據(jù)之間的巨大一致性”。這告訴團隊，它的簡單模型可以準(zhǔn)確預(yù)測DNA在真實細(xì)胞中的組織方式。

在模擬細(xì)胞中系統(tǒng)地改變事物將允許研究人員在實驗室工作臺上不可行的實驗中操縱DNA。Spakowitz實驗室的生物物理學(xué)博士候選人布魯諾貝爾特蘭說：“這些實驗可能花費數(shù)萬美元，在實驗室里花費數(shù)不清的時間，但我們可以在計算機上旋轉(zhuǎn)一個旋鈕。”

在做完工作之前進(jìn)行模擬實驗可以幫助研究人員優(yōu)先考慮哪些實驗室實驗。Spakowitz和他的團隊希望他們的模型將提供一個指導(dǎo)，以告知其他人關(guān)于DNA組織如何影響哪些基因被打開或關(guān)閉的研究。

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