當DNA第一次解釋遺傳物質(zhì)如何通過細胞核時 它會“跳舞”

正如這些實驗數(shù)據(jù)的快照所示，脫氧核糖核酸的長度纏繞在人類細胞核周圍。(彩色箭頭表示運動方向。)新的模擬揭示了DNA是如何以及為什么移動的。

新的模擬顯示，DNA在精心設計的舞蹈中流入細胞核。這一發(fā)現(xiàn)首次大規(guī)模解釋了遺傳物質(zhì)在工作細胞中的運動。

合著者、紐約Flatiron研究所計算生物學中心生物物理建模組組長、Courant Institute聯(lián)合主任Michael Shelley表示：“之前的工作主要集中在DNA的微觀尺度上?！奔~約大學應用數(shù)學實驗室?！叭藗儾粫嬲紤]更大的情況。”

謝莉和他的同事模擬了染色質(zhì)的運動，染色質(zhì)是細胞核中脫氧核糖核酸的功能形式。染色質(zhì)看起來像一串珠子，球形的遺傳物質(zhì)簇通過DNA鏈連接在一起。研究人員認為，沿著脫氧核糖核酸的分子機器會拉直和收緊染色質(zhì)片段。這個活動將相鄰的股排列成面向同一個方向。反過來，這種排列導致華爾茲遺傳物質(zhì)的級聯(lián)在整個核心閃爍。

研究人員在10月22日的《美國國家科學院院刊》網(wǎng)絡版上報道，跳舞的DNA可能在基因表達、復制和重塑中發(fā)揮作用，盡管確切效果仍不清楚。

這些發(fā)現(xiàn)有助于解釋科學家在2013年報告的測量結果，包括哈佛大學的亞歷山德拉齊多夫卡。除了先前已知的單個基因的小規(guī)模運動之外，科學家的實驗還揭示了大面積的染色質(zhì)，它們以每幾秒鐘一微米的速度均勻地穿過細胞核。然而，科學家無法確定運動的原因或細節(jié)。

謝莉有研究微生物如何游泳的經(jīng)驗。相似的物理學讓他對遷移DNA背后的機制感到好奇。他與加州大學圣地亞哥分校的大衛(wèi)塞恩蒂蘭和紐約大學的齊多夫卡合作進行調(diào)查。

研究人員研究了DNA分子沿著分子機器移動附近遺傳物質(zhì)的兩種方式：拉和推。分子機器不能施加凈力，這意味著通過拉動一段DNA，它必須抓住并拉動其他東西。兩個向內(nèi)的拉力將被抵消，產(chǎn)生零凈力，導致DNA片段收縮。如果機器改為向外推動，力將被取消，DNA片段將被延伸。

這些收縮和膨脹發(fā)生在充滿原子核的粘性液體中。脫氧核糖核酸的運動在液體中產(chǎn)生流動，這可以重新定向附近長度的分子。

利用計算機模擬，研究人員模擬了收縮和拉伸如何影響限制在球形核中的混合染色質(zhì)。當脫氧核糖核酸的長度縮短時，產(chǎn)生的流動將附近的鏈指向不同的方向，阻止了任何精心設計的運動。延伸產(chǎn)生的液體流與附近的脫氧核糖核酸在同一方向?qū)R。這種排列導致級聯(lián)效應，使大塊的脫氧核糖核酸向同一個方向移動。

雪莉說：“這就像是核心的一部分突然決定我們都會以這種方式移動一點，然后另一點說我們都會以這種方式移動?！?染色質(zhì)有點游離."

謝莉認為，這種脫氧核糖核酸擺動有助于將負責表達特定基因的分子機制分布在整個細胞核中。他說，具體來說，需要更復雜的模擬和染色質(zhì)切割地毯的其他實驗。

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