細(xì)胞核永遠(yuǎn)不會是靜止的，即使它們所含的染色體似乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。萊斯大學(xué)的理論家詳細(xì)介紹了驅(qū)動其不斷運(yùn)動的力量組合。

它們具有里程碑意義的蛋白質(zhì)能源景觀模型的延伸，幫助萊斯理論生物物理中心的研究人員形成了一種理論，在間期，生殖前的時間統(tǒng)一基因組的結(jié)構(gòu)和動態(tài)方面，當(dāng)核DNA傳導(dǎo)保持活動的交響樂時。細(xì)胞嗡嗡聲。

長期以來，科學(xué)家們已經(jīng)能夠觀察到細(xì)胞從間期到有絲分裂再到其周期，但很難理解每個階段發(fā)生的情況。在這項(xiàng)新研究中，賴斯研究人員確定，他們開發(fā)的用于分析染色體空間折疊的能量景觀模型也可以解釋實(shí)驗(yàn)者最近在間期觀察到的基因組動態(tài)。

今天在物理學(xué)家JoséOnuchic和Peter Wolynes以及博士后研究人員Michele Di Pierro和Davit Potoyan發(fā)表的“美國國家科學(xué)院院刊”上發(fā)表的開放獲取論文借鑒了實(shí)驗(yàn)室在模擬蛋白質(zhì)折疊方面的長期經(jīng)驗(yàn)。

這些模型依賴于粗粒度算法，其中鏈中的氨基酸子集 - 蛋白質(zhì)或DNA-代表整個鏈。單個酸的固有能量決定了鏈的折疊方式以及它們與鏈上其他珠子結(jié)合的可能性。

在過去的四年中，研究人員將他們的算法改進(jìn)為他們的最小染色質(zhì)模型，該模型模擬DNA分裂時的能量景觀，在間期凝聚成緊密的斑點(diǎn)，然后開花成熟悉的X和Y形染色體。有絲分裂的準(zhǔn)備。

該模型表明，由布朗運(yùn)動驅(qū)動的隨機(jī)擴(kuò)散和由分子馬達(dá)觸發(fā)的更多定向運(yùn)動都有助于DNA在其核球體內(nèi)蠕動，因?yàn)樗粩嗟刂亟M自身。

“在分子尺度上，粒子的普通熱運(yùn)動足以使它們四處移動并將它們從它們與其他粒子過于強(qiáng)烈束縛的堵塞物中分離出來，”Wolynes說。“通常，它們會進(jìn)入熱力學(xué)最穩(wěn)定的狀態(tài)。對于蛋白質(zhì)折疊，這些熱運(yùn)動是最重要的，但在宏觀世界中，它們是完全不合適的。

“染色體尺度上的問題是它比我們周圍看到的宏觀物體小得多，但比分子大得多。那么我們應(yīng)該采用哪種規(guī)則呢?”

結(jié)果證明兩者都是。

Wolynes指出，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在染色體內(nèi)顯示出類似擴(kuò)散的運(yùn)動，但也證明ATP驅(qū)動的分子馬達(dá)有助于指導(dǎo)事物。其他實(shí)驗(yàn)室停止電機(jī)的實(shí)驗(yàn)也阻止了染色體結(jié)構(gòu)的一些變化。

“我們決定看看如果我們的模型假設(shè)運(yùn)動與平衡時的運(yùn)動相同，但正在被電動機(jī)攪動，或多或少地做隨機(jī)熱運(yùn)動所做的事情，但更激烈，”他說。“這讓我們得到了與實(shí)驗(yàn)非常一致的東西。”

類淋巴母細(xì)胞中兩條染色體之間的模擬相互作用也揭示了存在10到20個動態(tài)相關(guān)結(jié)構(gòu)域(DAD)，DNA的區(qū)室化染色質(zhì)區(qū)段和它們相關(guān)的表觀遺傳標(biāo)記和其他蛋白質(zhì)的斑點(diǎn) - 這些蛋白質(zhì)傾向于連貫辦法。研究人員認(rèn)為，DADs起源于具有不同生化特性的染色質(zhì)片段的微觀相分離，如油和水。

“這些DAD是相分離趨勢與染色質(zhì)聚合物性質(zhì)引起的約束之間競爭的結(jié)果，”Onuchic說。他說，與完全分離的油和水不同，染色質(zhì)會產(chǎn)生多個按類型分離的結(jié)構(gòu)域。

“我們發(fā)現(xiàn)染色體中的位置偏離了擴(kuò)散定律，因?yàn)樗鼈冎械囊恍U(kuò)散速度比其他擴(kuò)散法快，”Wolynes說。“這些果凍液滴的大小各不相同。有些長時間彌散，有些彌漫的時間較短，而且有一個閾值可以定義這些運(yùn)動模式。”

他將它們與蛋黃醬進(jìn)行了比較，其中蛋黃中的蛋白質(zhì)形成了結(jié)合油和水的液滴。“染色質(zhì)中的相分離使得染色體成為一種沙拉醬，其中具有不同表觀遺傳標(biāo)記的液滴連貫地移動，”Wolynes說。

Di Pierro說，這項(xiàng)工作應(yīng)該吸引研究DNA結(jié)構(gòu)的生物學(xué)家和研究其運(yùn)動的生物物理學(xué)家。“我們希望我們的理論能夠彌合動力學(xué)與結(jié)構(gòu)之間的差距，”他說。“通過一些物理學(xué)和一些工程學(xué)，我們實(shí)際上可以證明從一個角度看起來很奇怪，或者另一個看起來都符合相同的畫面。”