Menselijke chromosomen zijn lange polymeerketens die genetische informatie opslaan. De kern van elke cel bevat het volledige menselijke genoom (DNA), gecodeerd op 46 chromosomen met een totale lengte van ongeveer 2 meter. Om in de microscopische celkern te passen en tegelijkertijd constante toegang tot genetische informatie te bieden, worden chromosomen op een speciale, vooraf bepaalde manier in de kern gevouwen. DNA-vouwing is een dringende taak op het snijvlak van polymeerfysica en systeembiologie.

Een paar jaar geleden brachten onderzoekers, als een van de mechanismen van chromosoomvouwing, een hypothese naar voren van actieve extrusie van lussen op chromosomen door moleculaire motoren. Hoewel het vermogen van motoren om DNA in vitro te extruderen is aangetoond, is het experimenteel observeren van lussen in een levende cel een technisch zeer moeilijke, bijna onmogelijke taak.

Een team van wetenschappers van Skoltech, MIT en andere vooraanstaande wetenschappelijke organisaties in Rusland en de VS hebben een fysiek model gepresenteerd van een polymeer dat in lussen is gevouwen. Dankzij de analytische oplossing van dit model konden wetenschappers de universele kenmerken van de chromosoompakking reproduceren op basis van de experimentele gegevens:de afbeelding toont de piek-dip-afgeleide curve van de contactwaarschijnlijkheid.

Het theoretische werk zal onderzoekers in staat stellen te begrijpen hoe lusextrusie de biofysische eigenschappen van het chromosoom beïnvloedt en parameters van deze lussen uit de experimentele gegevens halen. Het artikel is gepubliceerd in Physical Review X .

‘De extrusie van lussen door motoren, zoals vaak het geval is in de biologie, is willekeurig – ze vormen zich voortdurend en verdwijnen weer. Dit verklaart vooral waarom hun experimentele detectie in een enkele levende cel zo moeilijk is. We kozen voor een andere aanpak. We hebben een fysische theorie ontwikkeld die laat zien hoe willekeurig verdeelde lussen op een polymeer de ruimtelijke organisatie van het polymeer zouden beïnvloeden. Vervolgens analyseerden we experimentele gegevens over de ruimtelijke pakking van chromosomen verkregen op miljarden levende cellen en vonden daar dezelfde statistische kenmerken. zegt Kirill Polovnikov, hoofdauteur van het onderzoek, assistent-professor en hoofd van de onderzoeksgroep bij Skoltech.

De ontwikkelde theorie heeft het mogelijk gemaakt de typische grootte van chromosomale lussen en hun dichtheid te bepalen. Bovendien hebben de auteurs een nieuw topologisch effect ontdekt dat verband houdt met lussen. Wanneer de lussen worden geëxtrudeerd, wordt de ruggengraat van de keten korter, maar deze strekt zich uit in de driedimensionale ruimte vanwege het zogenaamde "verdunning van verstrengelingen"-effect in het polymeersysteem.

De wetenschappers hebben een analytisch model van dit effect ontwikkeld en hun resultaten ook bevestigd in computersimulaties. De theorie helpt bij het identificeren en karakteriseren van chromosomale lussen met behulp van experimentele gegevens en verandert ons begrip van de topologische organisatie van chromosomen in een levende cel.

‘Net zoals astrofysici nieuwe exoplaneten vinden door de afname van de helderheid van de moederster tijdens de passage van de planeet, biedt onze theorie een hulpmiddel voor het detecteren van het ‘spoor’ van lussen in de genomische gegevens. Verrassend genoeg blijken de geïdentificeerde kenmerken universeel zijn, niet alleen voor mensen, maar ook voor de cellen van andere organismen. Blijkbaar is het vouwen van chromosomen in lussen een van de meest algemene principes van de ruimtelijke organisatie van DNA", voegt Polovnikov toe.

Meer informatie: Kirill E. Polovnikov et al, Verfrommeld polymeer met lussen vat de belangrijkste kenmerken van de chromosomenorganisatie samen, Fysieke recensie X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041029

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling X

Aangeboden door Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie