De organisatie van het menselijk genoom is gebaseerd op de fysica van verschillende toestanden van materie, zoals vloeibaar en vast, heeft een team van wetenschappers ontdekt. De bevindingen, die onthullen hoe de fysieke aard van het genoom verandert als cellen transformeren om specifieke functies te vervullen, wijzen op nieuwe manieren om ziekten mogelijk beter te begrijpen en betere therapieën voor kanker en genetische aandoeningen te creëren.

Het genoom is de bibliotheek van genetische informatie die essentieel is voor het leven. Elke cel bevat de volledige bibliotheek, toch gebruikt het slechts een deel van deze informatie. Speciale soorten cellen, zoals een witte bloedcel of een neuron, alleen bepaalde "boeken" open hebben staan, die informatie bevatten die relevant is voor hun functie. Onderzoekers hebben lang gezocht naar hoe het genoom deze enorme bibliotheken beheert en toegang geeft tot de "boeken" die nodig zijn, terwijl u degenen die niet in gebruik zijn opbergt.

In de nieuw gepubliceerde studie, die in het journaal verschijnt Fysieke beoordelingsbrieven, de onderzoekers onthulden hoe dit gebeurt in een cel.

"We ontdekten dat de delen van het genoom die worden gebruikt vloeibaar zijn, terwijl de ongebruikte delen solide eilanden vormen, " legt Alexandra Zidovska uit, een assistent-professor aan de afdeling Natuurkunde van de New York University en de senior auteur van de studie. "Deze massief-achtige eilanden dienen als bibliotheekboekenplanken die de boeken opslaan met genen die momenteel niet in gebruik zijn, terwijl het vloeibare genoomdeel zich gedraagt ​​als een 'open boek, ' die gemakkelijk toegankelijk is en wordt gebruikt voor het leven en de functie van een cel."

De genetische informatie van het genoom is gecodeerd in het DNA-molecuul. Het correct lezen en verwerken van deze informatie is van cruciaal belang voor de menselijke gezondheid en veroudering. In een menselijke cel het genoom, die de genetische code bevat, zit in de celkern. Amper 10 micrometer groot - of ongeveer 10 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar - bevat het ongeveer twee meter DNA.

Om deze enorme hoeveelheid genetische informatie in zo'n kleine ruimte op te slaan, moet het zo worden verpakt dat elk stukje DNA, en dus van genetische code, is gemakkelijk bereikbaar wanneer dat nodig is.

Wat minder werd begrepen, is hoe deze informatie werd opgeslagen en wat de rol van de natuurkunde daarin was.

Om dit fenomeen te onderzoeken, de onderzoekers, waaronder ook Iraj Eshghi en Jonah Eaton, NYU-promovendi, vergeleken cellen voor en nadat ze gespecialiseerd zijn.

specifiek, de wetenschappers brachten bewegingen van het genoom in kaart in kernen van muisstamcellen - die welke nog geen gespecialiseerde functie hebben, maar staan ​​klaar om elk celtype te worden, zoals een neuron of een witte bloedcel - en laat deze cellen vervolgens een differentiatie ondergaan tot neuronale cellen voordat ze de genomische bewegingen opnieuw in kaart brengen. Daarbij, ze genereerden de allereerste kaarten van de bewegingen van een genoom voor en na celdifferentiatie.

Hier ontdekten ze dat stamcellen hun genoom "open" houden - waardoor het net zo toegankelijk is als een open boek, waarbij "genetische pagina's" gemakkelijk bereikbaar zijn.

Echter, de mapping toonde ook aan dat zodra een stamcel een gespecialiseerde cel wordt, bijv. een neuron, deze gespecialiseerde cel houdt alleen delen van het genoom gemakkelijk toegankelijk die nodig zijn voor zijn specifieke functie. Het zet de ongebruikte delen van het genoom op 'boekenplanken'. Hierdoor blijft er meer ruimte over voor informatie die actief wordt uitgelezen en verwerkt.

"Deze bewegingen vertellen ons precies hoe toegankelijk het genoom is op een bepaalde plaats in de celkern, " legt Zidovska uit. "Bovendien, deze bewegingen onthullen de fysieke toestand van verschillende delen van het genoom, met vloeibare delen die overeenkomen met los gepakt DNA, en vaste delen die overeenkomen met dicht opeengepakte DNA-gels. De genoomverpakking in deze verschillende toestanden van materie heeft een directe invloed op de toegankelijkheid van het genoom; de vloeibare delen zijn toegankelijk, in tegenstelling tot de vaste delen. Het verbazingwekkende is dat deze organisatie vertrouwt op de fysica van verschillende toestanden van materie, vloeibaar en vast."

"Door bewegingen van verschillende delen van het genoom te meten, konden we deze verschillende fysieke eigenschappen van verschillende delen van het genoom laten zien, en zo de genoomorganisatie begrijpen - het 'bibliotheeksysteem' van de cel, " " zij voegt toe.

Een goed cellulair archiveringssysteem is van vitaal belang voor de menselijke gezondheid, merken de onderzoekers op.

"Gezien het enorme aantal celtypen in het menselijk lichaam, als een boek ontbreekt of zoek is in deze mobiele bibliotheek, het kan leiden tot ontbrekende of onnodige informatie, mogelijk leidend tot ontwikkelingsstoornissen en erfelijke aandoeningen, evenals aandoeningen zoals kanker, " legt Zidovska uit. "Daarom, onthullen hoe het genoom is georganiseerd in de celkern is van cruciaal belang voor ons begrip van deze aandoeningen en ziekten. Bovendien, dergelijke kennis kan ons helpen bij het ontwerpen van toekomstige therapieën en diagnostiek van dergelijke aandoeningen."