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研究显示了细胞分化前后基因组的物理性质如何变化

一组科学家发现,人类基因组的组织依赖于不同物质状态的物理学——例如液体和固体。这些发现揭示了基因组的物理性质如何随着细胞转变为特定功能而发生变化,指出了可能更好地了解疾病并为癌症和遗传疾病开发改进疗法的新方法。

基因组是生命必不可少的遗传信息库。每个单元格都包含整个库,但它仅使用部分信息。

特殊类型的细胞,例如白细胞或神经元,只打开某些“书籍”——那些包含与其功能相关的信息。长期以来,研究人员一直试图确定基因组如何管理这些庞大的图书馆,并允许访问所需的“书籍”,同时将不使用的书籍保存起来。

在发表在《物理评论快报》杂志上的新发表的研究中,研究人员揭示了这是如何在细胞内发生的。

我们发现正在使用的基因组部分是液体,而未使用的部分则形成了类似固体的岛。这些类似固体的岛屿充当图书馆书架,存放着当前未使用的基因的书籍,而液体基因组部分就像一本‘打开的书’,很容易获取并用于细胞的生命和功能。”

Alexandra Zidovska,纽约大学物理系研究高级作者兼助理教授

基因组的遗传信息编码在 DNA 分子中。正确阅读和处理这些信息对人类健康和衰老至关重要。在人类细胞中,包含遗传密码的基因组位于细胞核中。它的大小只有 10 微米——或者比一根人类头发的宽度小 10 倍左右——它储存了大约两米的 DNA。

在如此小的空间中存储大量的遗传信息需要以这样的方式进行包装,以便在需要时可以轻松访问每段 DNA 以及遗传密码。

鲜为人知的是这些信息是如何存储的,以及物理学在其中的作用是什么。

为了探索这一现象,包括纽约大学博士生 Iraj Eshghi 和 Jonah Eaton 在内的研究人员比较了细胞变得特化前后的细胞。

具体来说,科学家们绘制了小鼠干细胞细胞核中基因组的运动图 - 那些还没有特定功能,但准备成为任何细胞类型,例如神经元或白细胞 - 然后让这些细胞在再次映射基因组运动之前经历分化为神经元细胞。在这样做的过程中,他们生成了有史以来第一个细胞分化前后基因组运动的图谱。

在这里,他们发现干细胞使它们的基因组保持“开放”——使其就像一本打开的书一样易于访问,“遗传页面”很容易到达。

然而,该映射还表明,一旦干细胞成为一种特化细胞,例如神经元,这种特化细胞就会只保留其特定功能所需的基因组部分。它将基因组中未使用的部分放在“书架”上。这为正在被主动读取和处理的信息留下了更多空间。

Zidovska 解释说:“这些运动准确地告诉我们基因组在细胞核中给定位置的可及性。” “此外,这些运动揭示了基因组不同部分的物理状态,液体部分对应于松散堆积的 DNA,而类似固体的部分对应于紧密堆积的 DNA 凝胶。

这些不同物质状态下的基因组包装直接影响基因组的可及性;与固体部分相比,液体部分是可接近的。令人惊奇的是,这个组织依赖于物质、液体和固体的不同状态的物理学。”

“测量基因组不同部分的运动使我们能够展示基因组不同部分的这些不同的物理特性,从而了解基因组的组织——细胞的‘文库系统’,”她补充道。

研究人员指出,适当的细胞归档系统对人类健康至关重要。

“考虑到人体中有大量的细胞类型,如果在这个细胞库中丢失或放错了一本书,可能会导致丢失或不必要的信息,可能导致发育和遗传疾病以及癌症等疾病,”齐多夫斯卡解释道。

“因此,揭示基因组在细胞核内的组织方式对于我们了解这些病症和疾病至关重要。此外,这些知识可能有助于我们设计此类疾病的未来疗法和诊断方法。”

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