Neue Einblicke in den biophysikalischen Ursprung der Genomorganisation im Zellkern

Ein Team von Wissenschaftlern hat die physikalischen Prinzipien – eine Reihe von Kräften und hydrodynamischen Strömungen – entdeckt, die dafür sorgen, dass der Bauplan des Lebens richtig funktioniert. Seine Entdeckung bietet neue Einblicke in das Genom und könnte einen neuen Weg bieten, um genomische Anomalien zu erkennen, die mit menschlichen Entwicklungsstörungen und Krankheiten verbunden sind.

„Die Art und Weise, wie das Genom in seinem Kern organisiert und verpackt ist, wirkt sich direkt auf seine biologische Funktion aus, aber die physikalischen Prinzipien hinter dieser Organisation sind noch lange nicht verstanden“, erklärte Alexandra Zidovska, außerordentliche Professorin am Department of Physics der New York University und ein Autor der Zeitung, der in der Zeitschrift erscheint Körperliche Untersuchung X (PRX). „Unsere Ergebnisse liefern grundlegende Einblicke in die biophysikalischen Ursprünge der Genomorganisation im Zellkern.“

„Dieses Wissen ist entscheidend, um die Funktion des Genoms zu verstehen“, fügte David Saintillan, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der University of California San Diego und Autor der Veröffentlichung, hinzu.

„Unsere Ergebnisse zeigen die Schlüsselrolle der Physik bei der Organisation des Genoms und damit seiner Funktion“, bemerkt Michael Shelley, Professor am Courant Institute of Mathematical Sciences der NYU, Forscher am Flatiron Institute und Autor der Abhandlung . .

Das Team, zu dem auch Wen Yan gehörte, ehemals am Center for Computational Biology des Flatiron Institute, und Achal Mahajan, zum Zeitpunkt der Arbeit Doktorand an der UC San Diego, konzentrierte sich auf die Rolle des Nukleoplasmas – der Flüssigkeit, in der die Genom untergetaucht ist – und die Kräfte, die seine Organisation antreiben.

Insbesondere untersuchten die Wissenschaftler die Kräfte, die Enzyme im Zellkern auf chromosomales Material oder Chromatin ausüben. Hier initiieren diese Kräfte Prozesse wie die Transkription und wirken auf eine Weise, die die räumliche Anordnung des Chromatins beeinflusst.

Diese Organisation beeinflusst die biologische Funktion. Aber trotz der entscheidenden Rolle dieses Prozesses bei der Übertragung genetischer Informationen ist die zugrunde liegende Physik undurchsichtig.

Um diese Dynamik besser zu verstehen, konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Kompartimentierung des Genoms in seine Hauptbestandteile Euchromatin und Heterochromatin. Euchromatin enthält überwiegend aktive transkribierende Gene, die die Expression steuern; Heterochromatin enthält Gene, die stillgelegt und daher nicht in der Zelle exprimiert werden.

Um dies zu erfassen, erstellten sie ein Computermodellierungssystem, das diesen Prozess durch eine Reihe von Simulationen replizierte. In ihrem Modellkern wurden 23 Chromatinfasern – die Anzahl der Chromosomen im menschlichen Genom – als schlaffe Ketten modelliert und in eine mit Flüssigkeit gefüllte Kugel gestopft. Jede Kette wurde in aktive Regionen oder Euchromatin und passive heterochromatische Regionen unterteilt.

Sie fanden heraus, dass aktive Kräfte, die auf die Chromatinfaser einwirken, Ströme in der Flüssigkeit um sie herum erzeugen, die wiederum die Bewegung und Positionierung des umgebenden Chromatins beeinflussen. Diese Kräfte drücken auf die euchromatischen Teile und treiben Ströme an, die eine große räumliche Umordnung des Genoms bewirken, was insbesondere zur Bildung von Heterochromatin-Kompartimenten führt.

Die euchromatischen oder aktiven Teile schieben die heterochromatischen oder inaktiven Teile beiseite und bündeln sie. So speichert die Zelle effektiv inaktive Gene.

Dies ist entscheidend für unsere Gesundheit; Wenn dieser Prozess schief geht, bildet sich der Organismus nicht richtig und kann zu Entwicklungs- und anderen Störungen führen, wie zum Beispiel der Entwicklung von Krebszellen.“

Alexandra Zidovska, außerordentliche Professorin am Fachbereich Physik der New York University