當(dāng)DNA第一次解釋遺傳物質(zhì)如何通過(guò)細(xì)胞核時(shí) 它會(huì)“跳舞”

正如這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快照所示，脫氧核糖核酸的長(zhǎng)度纏繞在人類細(xì)胞核周圍。(彩色箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向。)新的模擬揭示了DNA是如何以及為什么移動(dòng)的。

新的模擬顯示，DNA在精心設(shè)計(jì)的舞蹈中流入細(xì)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(xì)胞中的運(yùn)動(dòng)。

合著者、紐約Flatiron研究所計(jì)算生物學(xué)中心生物物理建模組組長(zhǎng)、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。”紐約大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室。“人們不會(huì)真正考慮更大的情況。”

謝莉和他的同事模擬了染色質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，染色質(zhì)是細(xì)胞核中脫氧核糖核酸的功能形式。染色質(zhì)看起來(lái)像一串珠子，球形的遺傳物質(zhì)簇通過(guò)DNA鏈連接在一起。研究人員認(rèn)為，沿著脫氧核糖核酸的分子機(jī)器會(huì)拉直和收緊染色質(zhì)片段。這個(gè)活動(dòng)將相鄰的股排列成面向同一個(gè)方向。反過(guò)來(lái)，這種排列導(dǎo)致華爾茲遺傳物質(zhì)的級(jí)聯(lián)在整個(gè)核心閃爍。

研究人員在10月22日的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)道，跳舞的DNA可能在基因表達(dá)、復(fù)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(xué)家在2013年報(bào)告的測(cè)量結(jié)果，包括哈佛大學(xué)的亞歷山德拉齊多夫卡。除了先前已知的單個(gè)基因的小規(guī)模運(yùn)動(dòng)之外，科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)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(guò)細(xì)胞核。然而，科學(xué)家無(wú)法確定運(yùn)動(dòng)的原因或細(xì)節(jié)。

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

研究人員研究了DNA分子沿著分子機(jī)器移動(dòng)附近遺傳物質(zhì)的兩種方式：拉和推。分子機(jī)器不能施加凈力，這意味著通過(guò)拉動(dòng)一段DNA，它必須抓住并拉動(dòng)其他東西。兩個(gè)向內(nèi)的拉力將被抵消，產(chǎn)生零凈力，導(dǎo)致DNA片段收縮。如果機(jī)器改為向外推動(dòng)，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(yùn)動(dòng)在液體中產(chǎn)生流動(dòng)，這可以重新定向附近長(zhǎng)度的分子。

利用計(jì)算機(jī)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(dāng)脫氧核糖核酸的長(zhǎng)度縮短時(shí)，產(chǎn)生的流動(dòng)將附近的鏈指向不同的方向，阻止了任何精心設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)。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(dǎo)致級(jí)聯(lián)效應(yīng)，使大塊的脫氧核糖核酸向同一個(gè)方向移動(dòng)。

雪莉說(shuō)：“這就像是核心的一部分突然決定我們都會(huì)以這種方式移動(dòng)一點(diǎn)，然后另一點(diǎn)說(shuō)我們都會(huì)以這種方式移動(dòng)。”"染色質(zhì)有點(diǎn)游離."

謝莉認(rèn)為，這種脫氧核糖核酸擺動(dòng)有助于將負(fù)責(zé)表達(dá)特定基因的分子機(jī)制分布在整個(gè)細(xì)胞核中。他說(shuō)，具體來(lái)說(shuō)，需要更復(fù)雜的模擬和染色質(zhì)切割地毯的其他實(shí)驗(yàn)。

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