De Goudlokje met sprookjesachtige roem wisten iets van pap. Het moest precies goed zijn - niet te warm en niet te koud. Hetzelfde geldt voor meubels - niet te hard en niet te zacht. In een andere context, wetenschappers van UC San Diego weten iets over DNA. Ze weten dat de strengen van onze genetische code, indien verlengd, zou twee meter meten, of ongeveer zes voet. Ze weten ook dat de strengen zich in de celkern vouwen en zich verplaatsen binnen de celkern ter grootte van ongeveer een honderdste millimeter. Maar ze weten niet hoe en in welke toestand dit gebeurt, dus besloten ze het te controleren.

Geïnspireerd door ideeën uit de fysica van faseovergangen en polymeerfysica, onderzoekers van de afdelingen Fysische en Biologische Wetenschappen van UC San Diego gingen specifiek op zoek naar de organisatie van DNA in de kern van een levende cel. De bevindingen van hun onderzoek, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , suggereren dat de fasetoestand van het genomische DNA "precies goed" is - een gel die zich op de fasegrens tussen gel en sol bevindt, de vast-vloeibaar faseovergang.

Denk aan pudding, panna cotta - of zelfs pap. De consistentie van deze lekkernijen moet precies goed zijn om optimaal van te genieten. Net als de "sol-gel" faseovergang, volgens de wetenschappers lijkt precies goed voor het verklaren van de timing van genomische interacties die genexpressie en somatische recombinatie dicteren.

"Deze bevinding wijst op een algemeen fysiek principe van chromosomale organisatie, die belangrijke implicaties heeft voor veel belangrijke processen in de biologie, van antilichaamproductie tot weefseldifferentiatie, " zei Olga Dudko, een theoretisch biofysicus en professor in de afdeling Natuurkunde aan de UC San Diego, die samenwerkte met collega Cornelis Murre, een vooraanstaand professor in de sectie Moleculaire Biologie, op de studie.

Samen met Dudko's voormalige afgestudeerde student Yaojun Zhang, nu een postdoctoraal onderzoeker aan Princeton, en Murre's postdoctoraal onderzoeker Nimish Khanna, het team verzamelde en analyseerde gegevens over DNA-beweging in levende B-cellen van zoogdieren van muizen om te begrijpen hoe genomische interacties op afstand een gevarieerde pool van antilichamen genereren door het adaptieve immuunsysteem.

Bij zoogdieren, zoals knaagdieren en mensen, immunoglobinegensegmenten zijn gerangschikt in groepen van variabele (V), diversiteit (D) en verbindende (J) segmenten. deze V, D- en J-segmenten combineren willekeurig door het proces van somatische recombinatie. Dit gebeurt vóór antigeencontact en tijdens de ontwikkeling van B-cellen in het lymfoïde weefsel van het immuunsysteem, of beenmerg. Deze willekeurige genetische interacties resulteren in diverse eiwitcodes die overeenkomen met antigenen die lymfocyten activeren.

De wetenschappers onderzochten de verschillende interacties tussen V- en DJ-gensegmenten. Hoewel hoe deze interacties precies plaatsvinden, onbekend is, de UC San Diego-onderzoekers ontwikkelden een strategie om V- en DJ-beweging in B-lymfocyten te volgen. Ze ontdekten dat V- en DJ-segmenten vastzaten in configuraties die alleen lokale beweging toestonden, met andere woorden, de segmenten bleven ruimtelijk proximaal als ze aanvankelijk dichtbij waren of ze bleven gescheiden als ze aanvankelijk ruimtelijk ver weg waren. De onderzoekers observeerden ook, binnen een subset van cellen, abrupte veranderingen in V- en DJ-beweging, waarschijnlijk veroorzaakt door tijdelijke veranderingen in chromatine.

Door experimentele en gesimuleerde gegevens te vergelijken, de wetenschappers concludeerden dat beperkte beweging wordt opgelegd door een netwerk van verknoopte chromatineketens, of een netwerk van bruggen tussen de DNA-strengen die kenmerkend zijn voor een gelfase. Nog, de hoeveelheid van deze verknopingen is "precies goed" om het DNA in de buurt van de sol-fase te brengen - een vloeibare fase die een oplossing van niet-verknoopte ketens beschrijft.

Dit patroon suggereerde de wetenschappers dat er een bepaald organisatieprincipe van genomisch DNA bestaat - de nabijheid van de sol-gel-faseovergang - wat verklaart hoe het genoom tegelijkertijd stabiliteit en responsiviteit in de kern kan hebben.

Deze resultaten geven aan dat het verpakkingspatroon van DNA in de kern van een cel gevolgen heeft voor het lot van een cel - of het nu een levende of zieke cel wordt.

"We hebben rigoureuze theorieën uit de natuurkunde - abstracte principes en wiskundige vergelijkingen. We hebben ultramoderne experimenten op het gebied van biologie - innovatief volgen van gensegmenten in levende zoogdiercelkernen, " merkte Zhang op. "Het verbaast en windt me echt op wanneer de twee aspecten coherent samenvloeien in één verhaal, waar natuurkunde niet alleen een hulpmiddel is om de dynamiek van gensegmenten te beschrijven, maar helpt om de fysieke toestand van het genoom te bepalen, en werpt verder licht op de impact van de fysieke eigenschappen van deze staat op zijn biologische functie."