物理学家模拟染色体折叠揭示环如何影响基因组的空间组织

人类染色体是储存遗传信息的长聚合物链。每个细胞的细胞核都含有编码在46条总长约2米的染色体上的整个人类基因组(DNA)。为了适应微观细胞核并同时提供对遗传信息的持续访问，染色体以特殊的预定方式在细胞核中折叠。DNA折叠是高分子物理学和系统生物学交叉领域的一项紧迫任务。

几年前，作为染色体折叠的机制之一，研究人员提出了分子马达主动挤出染色体上环的假说。尽管马达在体外挤出DNA的能力已被证明，但通过实验观察活细胞中的环在技术上是一项非常困难、几乎不可能的任务。

来自Skoltech、麻省理工学院以及俄罗斯和美国其他领先科学组织的科学家团队提出了折叠成环的聚合物的物理模型。该模型的解析解使科学家能够根据实验数据再现染色体堆积的普遍特征——图像显示了接触概率的峰谷导数曲线。

理论工作将使研究人员能够了解环挤压如何影响染色体的生物物理特性，并从实验数据中提取这些环的参数。文章发表在《PhysicalReviewX》上。

“正如生物学中常见的情况一样，马达对环的挤压是随机的——它们不断地形成和消失。这特别解释了为什么在单个活细胞中进行实验检测如此困难。我们采取了不同的方法。我们开发了一种物理理论，展示了聚合物上随机分布的环如何影响聚合物的空间组织。接下来，我们分析了从数十亿个活细胞中获得的染色体空间堆积的实验数据，并发现了相同的统计特征。”该研究的主要作者、斯科尔理工学院助理教授兼研究小组组长基里尔·波洛夫尼科夫(KirillPolovnikov)说道。

所发展的理论可以确定染色体环的典型大小及其密度。此外，作者还发现了与环相关的新拓扑效应。当环被挤出时，链的主链缩短，然而，由于聚合物体系中所谓的“缠结稀释”效应，它在三维空间中伸展。

科学家们开发了这种效应的分析模型，并在计算机模拟中证实了他们的结果。该理论有助于利用实验数据识别和表征染色体环，并改变我们对活细胞中染色体拓扑组织的理解。

“正如天体物理学家通过行星经过期间母恒星光度的降低来发现新的系外行星一样，我们的理论提供了一种检测基因组数据中循环‘痕迹’的工具。令人惊讶的是，所识别的特征结果是不仅对于人类，而且对于其他生物体的细胞也具有普遍性。显然，染色体折叠成环是DNA空间组织的最普遍原理之一，”Polovnikov补充道。