Překvapivý objev: Jediný molekulární motor formuje DNA smyčky, které kompaktují až 70 % genomu

Vědci ze Skoltechu a Postupimské univerzity vyvinuli fyzikální teorii, která objasňuje, jak molekulární motory organizují trojrozměrnou strukturu genomu.

Vědci ze Skoltechu a Postupimské univerzity vyvinuli fyzikální teorii, která objasňuje, jak molekulární motory organizují trojrozměrnou strukturu genomu. Pomocí teoretické fyziky polymerů a počítačových simulací se jim poprvé podařilo vypočítat univerzální parametr této organizace – hustotu smyček tvořených aktivní extruzí pomocí kohezinových motorů v každé živé buňce.

Zjištění, publikovaná v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences, ukazují, že 60 až 70 procent veškeré DNA v buňce se nachází uvnitř smyček, přičemž každou z nich tvoří přesně jeden molekulární motor. To znamená, že extruze smyček je klíčovým mechanismem pro kompakci dvoumetrových chromozomů uvnitř živé buňky. Pochopení tohoto procesu je zásadní pro poznání, jak se tak dlouhá molekula DNA vejde do mikroskopického jádra buňky a jak je její struktura regulována.

Primární metoda pro studium trojrozměrné struktury genomu, technologie Hi-C, zachycuje náhodné kontakty mezi různými oblastmi DNA v buněčném jádře. Experimentální postup však samotný původní obraz zkresluje: chemické zesíťování, fragmentace DNA a ligace ovlivňují, které kontakty jsou zaznamenány. Autoři proto vytvořili fyzikální model, který explicitně zohledňuje všechny tyto biochemické kroky spolu s náhodnou tvorbou smyček. To jim umožnilo oddělit skutečnou strukturu chromozomu od „optiky“ složitého experimentálního protokolu.

Teorie předpověděla univerzální rys, který byl nalezen ve všech mapách Hi-C savců. Při pohledu na to, jak se pravděpodobnost kontaktu mezi dvěma oblastmi DNA mění s genomickou vzdáleností mezi nimi podél chromozomu, se v krátkých měřítkách objevuje charakteristický pokles. Tento pokles vzniká v důsledku konkurence dvou efektů: na velmi krátké vzdálenosti je signál rozmazaný kvůli konečné velikosti fragmentů DNA, zatímco na delší vzdálenosti začínají dominovat smyčky, jelikož kohezinové motory aktivně přitahují vzdálená místa k sobě. Poloha a tvar poklesu přímo závisí na hustotě smyček a na specifických vlastnostech experimentálního protokolu. Tento výzkum tak nejen odhaluje základní mechanismus organizace DNA, ale také poskytuje nástroj pro přesnější interpretaci stávajících dat a otevírá cestu k hlubšímu pochopení genetických procesů.