Ein Team von Wissenschaftlern hat die physikalischen Prinzipien – eine Reihe von Kräften und hydrodynamischen Strömungen – aufgedeckt, die dazu beitragen, das ordnungsgemäße Funktionieren des Lebensplans sicherzustellen. Seine Entdeckung liefert neue Einblicke in das Genom und bietet möglicherweise ein neues Mittel, um genomische Aberrationen zu erkennen, die mit Entwicklungsstörungen und menschlichen Krankheiten in Verbindung stehen.
„Die Art und Weise, wie das Genom im Zellkern organisiert und verpackt ist, wirkt sich direkt auf seine biologische Funktion aus, doch die physikalischen Prinzipien hinter dieser Organisation sind noch lange nicht verstanden“, erklärt Alexandra Zidovska, außerordentliche Professorin am Department of Physics der New York University und Autorin des Papiers, das in der Zeitschrift erscheint Körperliche Überprüfung X (PRX). „Unsere Ergebnisse liefern grundlegende Einblicke in die biophysikalischen Ursprünge der Organisation des Genoms im Zellkern.“
„Dieses Wissen ist entscheidend für das Verständnis der Funktion des Genoms“, fügt David Saintillan hinzu, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der University of California San Diego und Autor des Artikels.
„Unsere Ergebnisse zeigen die Schlüsselrolle der Physik bei der Organisation des Genoms und damit seiner Funktion“, bemerkt Michael Shelley, Professor am Courant Institute of Mathematical Sciences der NYU, Forscher am Flatiron Institute und Autor der Abhandlung.
Computersimulation von Chromosomen, dargestellt durch verschiedene Farben, im Zellkern. Die Chromosomenumlagerungen treten aufgrund aktiver Kräfte auf, die auf das Genom und ihre hydrodynamischen Wechselwirkungen einwirken. Bildnachweis: Achal Mahajan, UC San Diego.
Das Team, zu dem auch Wen Yan gehörte, ehemals Center for Computational Biology des Flatiron Institute, und Achal Mahajan, zum Zeitpunkt der Arbeit Doktorand an der UC San Diego, konzentrierte sich auf die Rolle des Nukleoplasmas – der Flüssigkeit, in der sich das Genom befindet eingetaucht ist – und die Kräfte, die seine Organisation antreiben.
Insbesondere untersuchten die Wissenschaftler die Kräfte, die auf chromosomales Material oder Chromatin durch Enzyme ausgeübt werden, die im Kern einer Zelle arbeiten. Hier initiieren diese Kräfte Prozesse wie die Transkription und wirken auf eine Weise, die die räumliche Anordnung des Chromatins beeinflusst.
Diese Organisation beeinflusst die biologische Funktion. Aber trotz der entscheidenden Rolle dieses Prozesses bei der Übermittlung genetischer Informationen ist die zugrunde liegende Physik undurchsichtig.
Um ein besseres Verständnis dieser Dynamik zu erlangen, konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Kompartimentierung des Genoms in seine Hauptbestandteile Euchromatin und Heterochromatin. Euchromatin enthält überwiegend aktiv transkribierende Gene, die die Expression antreiben; Heterochromatin enthält Gene, die stillgelegt sind – und daher nicht in der Zelle exprimiert werden.
Um dies zu erfassen, erstellten sie ein Computermodellierungssystem, das diesen Prozess durch eine Reihe von Simulationen replizierte. In ihrem Modellkern wurden 23 Chromatinfasern – die Anzahl der Chromosomen im menschlichen Genom – als schlaffe Ketten modelliert und in eine mit Flüssigkeit gefüllte Kugel gestopft. Jede Kette wurde in aktive Regionen oder Euchromatin und passive heterochromatische Regionen unterteilt.
Sie fanden heraus, dass aktive Kräfte, die auf die Chromatinfaser einwirken, Strömungen in der sie umgebenden Flüssigkeit erzeugen, die wiederum die Bewegung und Positionierung des umgebenden Chromatins beeinflussen. Diese Kräfte drücken auf die euchromatischen Teile und treiben Strömungen an, die eine größere räumliche Umordnung des Genoms verursachen, was insbesondere zur Bildung von Heterochromatin-Kompartimenten führt.
„Die euchromatischen oder aktiven Teile schieben die heterochromatischen oder inaktiven Teile aus dem Weg und bündeln sie“, erklärt Zidovska. „So speichert die Zelle effektiv inaktive Gene.
„Das ist entscheidend für unsere Gesundheit – geht dieser Prozess schief, bildet sich der Organismus nicht richtig und führt unter Umständen zu Entwicklungsstörungen und anderen Leiden, etwa der Entstehung von Krebszellen.“
Mehr Informationen:
Achal Mahajan et al, Euchromatin-Aktivität verstärkt die Segregation und Verdichtung von Heterochromatin im Zellkern, Körperliche Überprüfung X (2022). DOI: 10.1101/2022.02.22.481494