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数学分析揭示了人类基因组的结构

2019-01-11 11:48:10 • 来源：

数学分析使日本的研究人员得到了一个可以描述DNA在活细胞内的运动的公式。使用这些计算，研究人员可能能够揭示人类基因组的3D结构。将来，这些结果可以让科学家们详细了解基因细胞机器如何组织和获取DNA。先前研究基因组结构的技术依赖于需要杀死细胞的方法。该研究项目涉及日本多个研究所的合作者，使用替代分子和细胞生物学技术来保持细胞存活并收集有关DNA自然运动的数据。

数学分析揭示了人类基因组的结构

DNA通常被设想为稳定和静态的代码，但整个基因组实际上是一种活跃的分子，可以四处移动并改变形状。目前，科学家们可以对DNA的整个基本代码进行排序，但了解基因组的大规模3D架构将揭示有关细胞如何使用代码的更多信息。

当细胞生长时，DNA被存储为一个松开的线轴; 某些部分(常染色质)更松散地缠绕，因此细胞机器可以将DNA转化为蛋白质，而不是紧密缠绕的其他区域(异染色质)。当细胞准备在细胞分裂期间分裂成两半时，它将所有染色质包装成紧密缠绕的X形染色体。

“我们的计算考虑了DNA的分形维数，它显示了DNA在细胞内的密集程度.DNA的包装方式可能表明细胞如何使用某些基因，”广岛大学助理​​教授Soya Shinkai博士说。和研究论文的第一作者。

沿着染色质的“串”是规则间隔的，称为核小体的DNA-蛋白质复合物的桶状“珠子”。研究人员追踪核小体在细胞周围的运动，以了解染色质的存储位置和方式。研究人员用荧光标记标记了核小体，并在人类细胞的生长阶段拍摄了显微镜图像。然后他们使用聚合物物理学理论来量化核小体的运动。

“每秒钟，一个10纳米大小的核小体可以移动100纳米。细胞内恒定，微妙的随机力使染色质移动得那么多，”Shinkai说。

在细胞可以使用基因之前，DNA必须完全解开。含有常用基因的染色质区域与染色质区域的包裹不太紧密，不常用的基因。可视化染色质如何在细胞内包装的模型可以让研究人员了解哪些基因最常访问或最不常访问，以及基因组的物理组织方式。

“我们的计算与局部染色质结构有关，但这种方法也可以扩展到整个染色体。这些数学公式是如何解释细胞内DNA移动的显微镜图像的视觉数据的理论，”Yuichi Togashi博士说。 ，广岛大学副教授，研究论文的最后一位作者。

未来的研究项目将包括寻找新的显微镜和DNA标记技术，以便在更长的时间内直观地跟踪单个核小体的运动。

发表最近论文的四位研究人员是理论和计算生物物理学，结构生物学，细胞生物学和分子生物学方面的专家。研究结果来自一个由广岛大学染色质活动数学研究中心相关的跨学科科学家团队提供的研究项目。该项目的其他合作者包括国立遗传学研究所(日本)，庆应义塾大学和苏肯戴高等研究生院。

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