Forscher decken Schlüsselmechanismen der Chromosomenstrukturentwicklung auf

Forscher der Rice University machen Fortschritte beim Verständnis, wie sich Chromosomenstrukturen im Laufe des Lebenszyklus einer Zelle verändern. Ihre Studie über motorisierte Prozesse, die die Organisation von Chromosomen aktiv beeinflussen erscheint im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„Diese Forschung liefert ein tieferes Verständnis davon, wie motorisierte Prozesse Chromosomenstrukturen formen und Zellfunktionen beeinflussen“, sagte Peter Wolynes, Co-Autor der Studie und Professor für Naturwissenschaften der DR Bullard-Welch Foundation. Wolynes ist außerdem Professor für Chemie, Biowissenschaften, Physik und Astronomie und Co-Direktor des Center for Theoretical Biological Physics (CTBP).

Die Forschung stellt zwei Arten motorisierter Kettenmodelle vor: Schwimmmotoren und Greifmotoren. Diese Motoren spielen unterschiedliche Rollen bei der Manipulation der Chromosomenstruktur.

Schwimmmotoren, die RNA-Polymerasen ähneln – Enzyme, die DNA-Sequenzen in RNA kopieren – helfen dabei, die Chromatinfaser auszudehnen und zusammenzuziehen, während die Gene entschlüsselt werden. Greifmotoren bringen weit entfernte Segmente der Chromatinfaser zusammen und erzeugen so Fernkorrelationen, die erforderlich sind, um das Chromosom knotenfrei zu halten.

Motorproteine, die chemische Energie verbrauchen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Chromosomenarchitektur. Die Forscher untersuchten, wie diese Proteine ​​ideale Polymerketten beeinflussen.

Sie fanden heraus, dass Schwimmmotoren je nach den ausgeübten Kräften entweder zu einer Kontraktion oder Expansion führen können. Im Gegensatz dazu erzeugen Greifmotoren konsistente Fernwirkungen, was mit den Mustern übereinstimmt, die in Hi-C-Experimenten beobachtet wurden, die Chromatininteraktionen im Zellkern während der Interphase identifizieren, einer Phase im Zellzyklus, in der sich eine Zelle nicht teilt und Chromosomen dekondensiert und im gesamten Kern verteilt werden. Die Motoren, die dies tun, sind besonders schwach und würden beim Bilden von Schleifen leicht ins Stocken geraten, daher suchten die Forscher nach einer Möglichkeit, sie zu beschleunigen.

„Diese Studie ist bemerkenswert, weil sie auf theoretischen Modellen der Chromosomenkettenorganisation durch Motorproteine ​​aufbaut“, sagte Zhiyu Cao, Co-Autor der Studie und Doktorand am CTBP.

Mithilfe eines Ansatzes der statistischen Mechanik erstellten die Forscher eine selbstkonsistente Beschreibung, die die räumliche Verteilung der Schleifenextrusionswahrscheinlichkeiten vorhersagt. Dieses Modell ergab, wie die Reaktionen der Motoren auf die von der zufällig taumelnden DNA ausgeübten Kräfte überwunden werden können, damit sie dennoch die erforderliche Packung durchführen können, um die lange Chromosomenkette in den mikroskopischen Zellkern einzupassen.

Die dreidimensionale Anordnung der Chromosomen beeinflusst lebenswichtige biologische Prozesse wie die DNA-Replikation und die Zelldifferenzierung während der Embryonalentwicklung.