科学家们展示了能量景观算法如何详细阐述DNA的间期动力学

细胞核永远不会是静止的，即使它们所含的染色体似乎处于静止状态。莱斯大学的理论家详细介绍了驱动其不断运动的力量组合。

它们具有里程碑意义的蛋白质能源景观模型的延伸，帮助莱斯理论生物物理中心的研究人员形成了一种理论，在间期，生殖前的时间统一基因组的结构和动态方面，当核DNA传导保持活动的交响乐时。细胞嗡嗡声。

长期以来，科学家们已经能够观察到细胞从间期到有丝分裂再到其周期，但很难理解每个阶段发生的情况。在这项新研究中，赖斯研究人员确定，他们开发的用于分析染色体空间折叠的能量景观模型也可以解释实验者最近在间期观察到的基因组动态。

今天在物理学家JoséOnuchic和Peter Wolynes以及博士后研究人员Michele Di Pierro和Davit Potoyan发表的“美国国家科学院院刊”上发表的开放获取论文借鉴了实验室在模拟蛋白质折叠方面的长期经验。

这些模型依赖于粗粒度算法，其中链中的氨基酸子集 - 蛋白质或DNA-代表整个链。单个酸的固有能量决定了链的折叠方式以及它们与链上其他珠子结合的可能性。

在过去的四年中，研究人员将他们的算法改进为他们的最小染色质模型，该模型模拟DNA分裂时的能量景观，在间期凝聚成紧密的斑点，然后开花成熟悉的X和Y形染色体。有丝分裂的准备。

该模型表明，由布朗运动驱动的随机扩散和由分子马达触发的更多定向运动都有助于DNA在其核球体内蠕动，因为它不断地重组自身。

“在分子尺度上，粒子的普通热运动足以使它们四处移动并将它们从它们与其他粒子过于强烈束缚的堵塞物中分离出来，”Wolynes说。“通常，它们会进入热力学最稳定的状态。对于蛋白质折叠，这些热运动是最重要的，但在宏观世界中，它们是完全不合适的。

“染色体尺度上的问题是它比我们周围看到的宏观物体小得多，但比分子大得多。那么我们应该采用哪种规则呢?”

结果证明两者都是。

Wolynes指出，实验已经在染色体内显示出类似扩散的运动，但也证明ATP驱动的分子马达有助于指导事物。其他实验室停止电机的实验也阻止了染色体结构的一些变化。

“我们决定看看如果我们的模型假设运动与平衡时的运动相同，但正在被电动机搅动，或多或少地做随机热运动所做的事情，但更激烈，”他说。“这让我们得到了与实验非常一致的东西。”

类淋巴母细胞中两条染色体之间的模拟相互作用也揭示了存在10到20个动态相关结构域(DAD)，DNA的区室化染色质区段和它们相关的表观遗传标记和其他蛋白质的斑点 - 这些蛋白质倾向于连贯办法。研究人员认为，DADs起源于具有不同生化特性的染色质片段的微观相分离，如油和水。

“这些DAD是相分离趋势与染色质聚合物性质引起的约束之间竞争的结果，”Onuchic说。他说，与完全分离的油和水不同，染色质会产生多个按类型分离的结构域。

“我们发现染色体中的位置偏离了扩散定律，因为它们中的一些扩散速度比其他扩散法快，”Wolynes说。“这些果冻液滴的大小各不相同。有些长时间弥散，有些弥漫的时间较短，而且有一个阈值可以定义这些运动模式。”

他将它们与蛋黄酱进行了比较，其中蛋黄中的蛋白质形成了结合油和水的液滴。“染色质中的相分离使得染色体成为一种沙拉酱，其中具有不同表观遗传标记的液滴连贯地移动，”Wolynes说。

Di Pierro说，这项工作应该吸引研究DNA结构的生物学家和研究其运动的生物物理学家。“我们希望我们的理论能够弥合动力学与结构之间的差距，”他说。“通过一些物理学和一些工程学，我们实际上可以证明从一个角度看起来很奇怪，或者另一个看起来都符合相同的画面。”

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