I cromosomi umani sono lunghe catene polimeriche che immagazzinano informazioni genetiche. Il nucleo di ciascuna cellula contiene l'intero genoma umano (DNA) codificato su 46 cromosomi con una lunghezza totale di circa 2 metri. Per adattarsi al nucleo cellulare microscopico e allo stesso tempo fornire un accesso costante alle informazioni genetiche, i cromosomi vengono piegati nel nucleo in un modo speciale e predeterminato. Il ripiegamento del DNA è un compito urgente all'intersezione tra la fisica dei polimeri e la biologia dei sistemi.
Alcuni anni fa, come uno dei meccanismi di ripiegamento dei cromosomi, i ricercatori hanno avanzato un'ipotesi di estrusione attiva di anelli sui cromosomi da parte di motori molecolari. Sebbene sia stata dimostrata la capacità dei motori di estrudere il DNA in vitro, osservare sperimentalmente i circuiti in una cellula vivente è un compito tecnicamente molto difficile, quasi impossibile.
Un team di scienziati di Skoltech, MIT e altre importanti organizzazioni scientifiche in Russia e negli Stati Uniti hanno presentato un modello fisico di un polimero piegato in anelli. La soluzione analitica di questo modello ha permesso agli scienziati di riprodurre le caratteristiche universali dell'impaccamento cromosomico sulla base dei dati sperimentali:l'immagine mostra la curva della derivata picco-dip della probabilità di contatto.
Il lavoro teorico consentirà ai ricercatori di comprendere in che modo l'estrusione dei loop influisce sulle proprietà biofisiche del cromosoma e di estrarre i parametri di questi loop dai dati sperimentali. L'articolo è pubblicato su Physical Review X .
"L'estrusione degli anelli da parte dei motori, come spesso accade in biologia, è casuale:si formano e scompaiono costantemente. Questo, in particolare, spiega perché la loro rilevazione sperimentale in una singola cellula vivente è così difficile. Noi abbiamo adottato un approccio diverso. Abbiamo sviluppato una teoria fisica che mostra come i cicli distribuiti casualmente su un polimero influenzerebbero l’organizzazione spaziale del polimero. Successivamente, abbiamo analizzato i dati sperimentali sull’impacchettamento spaziale dei cromosomi ottenuti su miliardi di cellule viventi e abbiamo trovato le stesse caratteristiche statistiche”. afferma Kirill Polovnikov, autore principale dello studio, assistente professore e capo del gruppo di ricerca presso Skoltech.
La teoria sviluppata ha permesso di determinare la dimensione tipica delle anse cromosomiche e la loro densità. Inoltre, gli autori hanno scoperto un nuovo effetto topologico associato ai circuiti. Quando gli anelli vengono estrusi, la spina dorsale della catena si accorcia, tuttavia, si allunga nello spazio tridimensionale a causa del cosiddetto effetto di "diluizione degli entanglement" nel sistema polimerico.
Gli scienziati hanno sviluppato un modello analitico di questo effetto e hanno anche confermato i loro risultati in simulazioni al computer. La teoria aiuta a identificare e caratterizzare i circuiti cromosomici utilizzando dati sperimentali e cambia la nostra comprensione dell'organizzazione topologica dei cromosomi in una cellula vivente.
"Proprio come gli astrofisici trovano nuovi esopianeti grazie alla diminuzione della luminosità della stella madre durante il passaggio del pianeta, la nostra teoria offre uno strumento per rilevare la 'traccia' di anelli nei dati genomici. Sorprendentemente, le caratteristiche identificate risultano essere essere universale non solo per gli esseri umani, ma anche per le cellule di altri organismi. A quanto pare, la piegatura dei cromosomi in anelli è uno dei principi più generali dell'organizzazione spaziale del DNA," aggiunge Polovnikov.
Ulteriori informazioni: Kirill E. Polovnikov et al, Il polimero accartocciato con anelli ricapitola le caratteristiche principali dell'organizzazione dei cromosomi, Revisione fisica X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041029
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X
Fornito dall'Istituto di scienza e tecnologia Skolkovo
