Ein Forscherteam der Universität Nagoya in Japan hat eine 3-dimensionale Computersimulation des Prozesses der Genomstrukturbildung im menschlichen Zellkern erstellt. Sie erwarten, dass das Modell zum Verständnis zellulärer Regulationsmechanismen und Krankheiten wie Krebs beiträgt, die das Erbgut schädigen.
Die dreidimensionale Struktur des Genoms spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der DNA-Funktionen von Tier- und Pflanzenzellen, da sie deren Ablesung und Replikation beeinflusst. Shin Fujishiro und Masaki Sasai, emeritierter Professor der Fakultät für komplexe Systemwissenschaften der Universität Nagoya, Graduiertenschule für Informatik, konstruierten ein 3D-Modell, indem sie das gesamte Genom menschlicher Zellen analysierten. Sie nutzten dieses Modell als Plattform, um die Beziehung zwischen Struktur, Dynamik und Funktionen des menschlichen Genoms zu untersuchen. Über die Ergebnisse wurde in der Online-Ausgabe des berichtet Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Die räumliche Organisation der DNA und ihre dynamische Bewegung in Zellen sind entscheidend für das Verständnis der Zellfunktionen“, erklärt Professor Sasai. „Forscher haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um die DNA-Organisation in Zellen zu erklären, indem sie verschiedene experimentelle Methoden entwickelt haben, einschließlich biochemischer und mikroskopischer Technologien, aber jetzt ist ein einheitliches Bild erforderlich. Unsere Forschung führt das erste Computermodell ein, das verschiedene Daten aus dem vollständigen Genom quantitativ analysieren kann menschlichen Zellen in einer konsolidierten Weise.“
Um den Prozess besser zu verstehen, untersuchten die Forscher Chromatin. Chromatin ist eine Mischung aus DNA mit Proteinen, die in Zellen vorhanden sind, um die DNA kompakt zu halten. Nach ihrem Modell ist Chromatin ungleichmäßig verteilt und während des Entfaltungsprozesses, der während der Zellteilung auftritt, führen Abstoßungskräfte zwischen den Chromatinketten dazu, dass sie sich trennen. Dieselbe Kraft trennt auch Chromatin in aktive und inaktive Kompartimente in den Kernen. Die Forscher fanden heraus, dass ihr vorgeschlagener Mechanismus biochemische und mikroskopische Befunde früherer Studien klärte.
Professor Sasai fügt hinzu: „Unser Modell bietet ein unverzichtbares Werkzeug und eine originelle Perspektive in der Zellbiologie. Anhand des in dieser Forschung entwickelten Rechenmodells können wir bestimmen, wie Störungen in Zellen die Dynamik und Organisation des Genoms beeinflussen. Wir können auch untersuchen, wie Krankheitszellen, einschließlich verschiedene Krebszellen, beeinflussen das Genom. Es ermöglicht uns, die Beziehung zwischen Genomstruktur und Transkriptionsregulation genauer zu analysieren. Das in dieser Forschung entwickelte Modell bietet ein grundlegendes Werkzeug und einen neuen Blickwinkel in der Zellbiologie.“
Shin Fujishiro et al, Generierung einer dynamischen dreidimensionalen Genomstruktur durch Phasentrennung von Chromatin, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2109838119