Moti del genoma attraverso un nucleo di cellule staminali (a sinistra) e la sua progenie differenziata (a destra). Credito:Alexandra Zidovska, Dipartimento di Fisica della NYU.
Un team di scienziati ha scoperto che l'organizzazione del genoma umano si basa sulla fisica dei diversi stati della materia, come liquido e solido. Le scoperte, che rivelano come la natura fisica del genoma cambia quando le cellule si trasformano per svolgere funzioni specifiche, indicare nuovi modi per comprendere potenzialmente meglio le malattie e creare terapie migliori per il cancro e le malattie genetiche.
Il genoma è la libreria di informazioni genetiche essenziali per la vita. Ogni cella contiene l'intera libreria, tuttavia utilizza solo una parte di queste informazioni. Tipi speciali di cellule, come un globulo bianco o un neurone, hanno solo alcuni "libri" aperti, quelli che contengono informazioni rilevanti per la loro funzione. I ricercatori hanno a lungo cercato di determinare come il genoma gestisce queste enormi librerie e consente l'accesso ai "libri" necessari, conservando quelli non utilizzati.
Nello studio appena pubblicato, che appare sul giornale Lettere di revisione fisica, i ricercatori hanno rivelato come ciò avvenga all'interno di una cellula.
"Abbiamo scoperto che le parti del genoma che vengono utilizzate sono liquide, mentre le parti inutilizzate formano isole solide, " spiega Alexandra Zidovska, un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica della New York University e l'autore senior dello studio. "Queste isole solide fungono da scaffali per biblioteche che conservano i libri con geni non attualmente in uso, mentre la parte liquida del genoma agisce come un "libro aperto, ' che è facilmente accessibile e utilizzato per la vita e la funzione di una cellula."
L'informazione genetica del genoma è codificata nella molecola del DNA. La corretta lettura ed elaborazione di queste informazioni è fondamentale per la salute umana e l'invecchiamento. In una cellula umana, il genoma, che contiene il codice genetico, è alloggiato nel nucleo della cellula. Di appena 10 micrometri di dimensione, o circa 10 volte più piccola della larghezza di una ciocca di capelli umani, immagazzina circa due metri di DNA.
L'archiviazione di questa grande quantità di informazioni genetiche in uno spazio così piccolo richiede un imballaggio in modo tale che ogni pezzo di DNA, e quindi del codice genetico, è facilmente accessibile quando necessario.
Quello che era stato meno compreso è come questa informazione fosse immagazzinata e quale fosse il ruolo della fisica in essa.
Nucleo di una cellula staminale (a sinistra) e della sua progenie differenziata (a destra) con parti del genoma simili a liquido (verde) e gelatinoso (magenta). Credito:Alexandra Zidovska, Dipartimento di Fisica della NYU
Per esplorare questo fenomeno, i ricercatori, che includeva anche Iraj Eshghi e Jonah Eaton, dottorandi della New York University, cellule confrontate prima e dopo la loro specializzazione.
Nello specifico, gli scienziati hanno mappato i movimenti del genoma nei nuclei delle cellule staminali di topo, quelle che non hanno ancora una funzione specializzata, ma sono pronti a diventare qualsiasi tipo di cellula, come un neurone o un globulo bianco, e poi lasciare che queste cellule subiscano una differenziazione in cellule neuronali prima di mappare nuovamente i movimenti genomici. Così facendo, hanno generato le prime mappe in assoluto dei movimenti di un genoma prima e dopo la differenziazione cellulare.
Qui hanno scoperto che le cellule staminali mantengono il loro genoma "aperto", rendendolo accessibile come un libro aperto, con "pagine genetiche" facilmente raggiungibili.
Però, la mappatura ha anche mostrato che una volta che una cellula staminale diventa una cellula specializzata, per esempio. un neurone, questa cellula specializzata mantiene facilmente accessibili solo le parti del genoma necessarie per la sua funzione specifica. Mette via le parti inutilizzate del genoma sugli "scaffali". Ciò lascia più spazio per le informazioni che vengono lette ed elaborate attivamente.
"Questi movimenti ci dicono esattamente quanto sia accessibile il genoma in un dato punto del nucleo cellulare, " spiega Zidovska. "Inoltre, questi movimenti rivelano lo stato fisico delle diverse parti del genoma, con parti liquide corrispondenti a DNA poco impacchettato, e parti solide corrispondenti a gel di DNA strettamente imballati. L'impacchettamento del genoma in questi diversi stati della materia ha un impatto diretto sull'accessibilità del genoma; le parti liquide sono accessibili, in contrasto con le parti solide. La cosa sorprendente è che questa organizzazione si basa sulla fisica dei diversi stati della materia, liquido e solido."
"La misurazione dei movimenti di parti distinte del genoma ci ha permesso di mostrare queste diverse proprietà fisiche di diverse parti del genoma, e quindi comprendere l'organizzazione del genoma - il "sistema bibliotecario" della cellula, " " aggiunge.
Un adeguato sistema di archiviazione cellulare è vitale per la salute umana, notano i ricercatori.
"Considerando il vasto numero di tipi di cellule nel corpo umano, se un libro è mancante o smarrito in questa libreria cellulare, può portare a informazioni mancanti o non necessarie, che può portare a disturbi dello sviluppo ed ereditari, nonché afflizioni come il cancro, " spiega Zidovska. "Pertanto, rivelare come è organizzato il genoma all'interno del nucleo cellulare è fondamentale per la nostra comprensione di queste condizioni e malattie. Inoltre, tale conoscenza può aiutarci nella progettazione di future terapie e diagnosi di tali disturbi".
