Los núcleos de las células nunca son estáticos, incluso cuando los cromosomas que contienen parecen estar en reposo. Los teóricos de la Universidad de Rice han detallado la combinación de fuerzas que impulsan su movimiento constante.
Una extensión de su modelo histórico de paisaje energético para proteínas ayudó a los investigadores del Centro de Física Biológica Teórica de Rice a formar una teoría que unifica los aspectos estructurales y dinámicos del genoma durante la interfase, el tiempo antes de la reproducción cuando el ADN nuclear conduce la sinfonía de actividad quemantiene la célula zumbando
Los científicos han sido capaces de observar cómo las células pasan por su ciclo desde la interfase hasta la mitosis y viceversa, pero ha sido difícil entender lo que sucede durante cada fase. En el nuevo estudio, los investigadores de Rice determinaron que el modelo de paisaje energético que desarrollaronanalizar el plegamiento espacial de los cromosomas también podría explicar la dinámica del genoma que los experimentadores han observado recientemente durante la interfase.
El documento de acceso abierto publicado hoy en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias por los físicos José Onuchic y Peter Wolynes y los investigadores posdoctorales Michele Di Pierro y Davit Potoyan se basan en la larga experiencia del laboratorio en el modelado de cómo se pliegan las proteínas.
Esos modelos se basan en algoritmos de grano grueso en los que un subconjunto de aminoácidos en una cadena, ya sea una proteína o ADN, representa la cadena completa. Las energías inherentes de los ácidos individuales determinan cómo se plegará la cadena y qué tan probabledeben asociarse con otras cuentas a lo largo de la cadena.
En los últimos cuatro años, los investigadores han refinado sus algoritmos en su Modelo de cromatina mínima, que simula el paisaje energético del ADN a medida que se divide, se condensa en una gota apretada durante la interfase y luego florece en la forma familiar de X e Ycromosomas en preparación para la mitosis.
El modelo muestra que tanto la difusión aleatoria impulsada por el movimiento browniano como los movimientos más dirigidos activados por motores moleculares ayudan al ADN a retorcerse en su esfera nuclear a medida que se reorganiza continuamente.
"A escala molecular, el movimiento térmico ordinario de las partículas es suficiente para moverlas y sacarlas de los atascos donde están muy fuertemente unidas a otras partículas", dijo Wolynes. "Por lo general, van al estado que eslos más termodinámicamente estables. Para el plegamiento de proteínas, estos movimientos térmicos son primordiales, pero en el mundo macroscópico, son completamente inadecuados.
"El problema en la escala del cromosoma es que es mucho más pequeño que las cosas macroscópicas que vemos a nuestro alrededor pero mucho más grande que una molécula. Entonces, ¿qué reglas se supone que debemos aplicar?"
La respuesta resultó ser ambas.
Wolynes notó que los experimentos habían mostrado un movimiento de difusión dentro del cromosoma, pero también evidencia de que los motores moleculares impulsados por ATP estaban ayudando a dirigir las cosas. Los experimentos de otros laboratorios que detuvieron los motores también detuvieron algunos de los cambios en la estructura cromosómica.
"Decidimos ver qué sucede si nuestro modelo supone que los movimientos son equivalentes a los que están en equilibrio, pero están siendo sacudidos por motores que hacen más o menos lo que hacen los movimientos térmicos aleatorios, pero más violentamente", dijo.nos llevó a algo que estaba muy de acuerdo con los experimentos "
Las interacciones simuladas entre dos cromosomas en una célula linfoblastoidea también revelaron la presencia de entre 10 y 20 dominios asociados dinámicamente DAD, gotas de cromatina compartimentada, segmentos de ADN y sus marcadores epigenéticos asociados y otras proteínas, que tendían aLos investigadores argumentan que los DAD surgen de la separación de fases en microescala, como el aceite y el agua, de segmentos de cromatina que tienen diferentes propiedades bioquímicas.
"Estos DAD son consecuencia de una competencia entre la tendencia a la separación de fases y las limitaciones que surgen de la naturaleza polimérica de la cromatina", dijo Onuchic. A diferencia del aceite y el agua que se separan por completo, la cromatina crea múltiples dominios que se segregan por tipo, él dijo.
"Encontramos ubicaciones en el cromosoma que se desvían de la ley de difusión, ya que algunas de ellas se difunden más rápido que otras", dijo Wolynes. "Estas gotitas de gelatina son de diferentes tamaños. Algunas se difunden durante mucho tiempo, algunas por un tiempo más corto, y hay un umbral que define estos modos de movimiento "
Los comparó con la mayonesa, en la cual las proteínas en la yema de huevo forman gotas que unen el aceite y el agua. "La separación de fases en la cromatina convierte al cromosoma en una especie de aderezo para ensaladas en el que las gotas con diferentes marcas epigenéticas se mueven de manera coherente", dijo Wolynes..
Di Pierro dijo que el trabajo debería atraer tanto a los biólogos que estudian la estructura del ADN como a los biofísicos que estudian su movimiento. "Queremos que nuestra teoría cubra esa brecha entre dinámica y estructura", dijo. "Con un poco de física"y un poco de ingeniería, podemos mostrar que lo que parece extraño desde un punto de vista u otro, todo encaja en la misma imagen ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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