简单而强大的模型预测DNA组织

科学家经常试图通过干扰和观察发生的事情来了解细胞中的重要过程。但细胞通常会死亡。这就是斯坦福大学化学工程与材料科学与工程副教授安德鲁斯帕科维茨(Andrew Spakowitz)预见到的问题，他们试图了解科学家如何在我们的细胞中组织DNA的基本信息。

为了解决这个问题，Spakowitz和他的团队建立了一个计算机模型来操作模拟中的“细胞” - 而不会杀死过程中的任何真实细胞。他们的模型预测细胞的变化如何影响DNA的包装方式。这些信息将为其他实验室实验奠定基础，以了解DNA组织如何影响哪些基因被打开或关闭。

斯帕科维茨说：“问题在于是否有希望在一个无可否认的复杂生活系统中捕获必要的行为，而这些系统就像我们的模型一样简单。” 他们在“ 美国国家科学院院刊”上报道的答案是肯定的。

组织DNA

每个人体细胞中大约有6英尺的DNA。为了适应所有这些，长链的DNA缠绕在称为组蛋白的蛋白质簇周围。紧密缠绕的DNA中的基因(称为异染色质)经常被关闭，因为细胞很难进入。

计算机模型显示异染色质区域，看起来像密集的一串字符串，以及称为常染色质的开放区域 - 基因通常活跃的地方。通过研究DNA如何被包装在细胞中，研究人员可以推断出哪些基因可能被打开或关闭。

“建立DNA的物理组织与基因表达之间的联系是理解细胞如何控制哪些基因表达以及哪些不表达的重要步骤，”Spakowitz说。

为了解决定DNA如何组织的因素，Spakowitz和他的团队调整了计算机模型中的“细胞”，以了解某些变化将如何影响DNA在细胞核中的包装。例如，当他们添加更多的HP1蛋白质参与基因关闭时，DNA形成了密集的团块。这些区域的组蛋白也标有化学基团，可以使附近的基因沉默。

现实的典范

为了验证他们的模型是否有效，该团队将模型的预测与实际实验的结果进行了比较。他们分析了实验室实验中的数据，这些实验在特定时刻冻结细胞，基本上可以快速了解DNA的组织方式。当团队在模型中模拟这些实验时，他们看到了与真实细胞中相同的结果。

Spakowitz实验室的物理博士候选人Quinn MacPherson表示，“仅仅考虑一个因素就可以显示模拟和实验数据之间的巨大一致性”。这告诉团队，它的简单模型可以准确预测DNA在真实细胞中的组织方式。

在模拟细胞中系统地改变事物将允许研究人员在实验室工作台上不可行的实验中操纵DNA。Spakowitz实验室的生物物理学博士候选人布鲁诺贝尔特兰说：“这些实验可能花费数万美元，在实验室里花费数不清的时间，但我们可以在计算机上旋转一个旋钮。”

在做完工作之前进行模拟实验可以帮助研究人员优先考虑哪些实验室实验。Spakowitz和他的团队希望他们的模型将提供一个指导，以告知其他人关于DNA组织如何影响哪些基因被打开或关闭的研究。

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