将Goldilocks原理应用于DNA结构

童话般的金发姑娘知道有关粥的事情。它需要恰到好处 - 既不太热也不太冷。与家具相同 - 既不太硬也不太软。在不同的背景下，加州大学圣地亚哥分校的科学家对DNA有所了解。他们知道我们遗传密码的链条，如果扩展，将测量两米，或大约六英尺。他们还知道，股线折叠成细胞核并在细胞核内移动，大小约为百分之一毫米。但是他们不知道这种情况如何以及发生在什么状态，所以他们决定检查。

灵感来自相变和聚合物物理学的思想，加州大学圣地亚哥分校物理和生物科学部的研究人员专门确定了活细胞核内DNA的组织。他们最近在Nature Communications上发表的研究结果表明，基因组DNA的相态“恰到好处” - 凝胶与溶胶之间的相界，凝固 - 液相转变。

想想布丁，奶油布丁 - 甚至是粥。这些美味的一致性必须恰到好处才能获得理想的享受。正如科学家所说，正如“溶胶 - 凝胶”相变一样，似乎恰好可以解释基因组相互作用的时间，这种相互作用决定了基因表达和体细胞重组。

“这一发现指出了染色体组织的一般物理原理，这对生物学中的许多关键过程具有重要意义，从抗体生产到组织分化，”加州大学圣地亚哥分校物理系理论生物物理学家和教授Olga Dudko说。他与同事，分子生物学部的着名教授Cornelis Murre合作进行了这项研究。

与Dudko的前研究生Yaojun Zhang(现为普林斯顿的博士后研究员)和Murre的博士后学者Nimish Khanna一起，该团队收集并分析了来自小鼠的活哺乳动物B细胞内DNA运动的数据，以了解远程基因组相互作用如何产生多样化的池适应性免疫系统的抗体。

在诸如啮齿动物和人类的哺乳动物中，免疫球蛋白基因区段以可变(V)，多样性(D)和连接(J)区段的组排列。这些V，D和J区段通过体细胞重组过程随机组合。这发生在抗原接触之前和免疫系统的淋巴组织或骨髓中的B细胞发育期间。这些随机遗传相互作用导致多种蛋白质编码与激活淋巴细胞的抗原相匹配。

科学家研究了V和DJ基因片段之间的各种相互作用。虽然这些相互作用究竟是如何发生的，但加州大学圣地亚哥分校的研究人员制定了一项追踪B淋巴细胞V和DJ运动的策略。他们发现V和DJ片段被困在仅允许局部运动的配置中 - 换句话说，如果它们最初关闭则片段在空间上保持近端，或者如果它们最初在空间上相距很远则保持分离。研究人员还在一小部分细胞中观察到V和DJ运动的突然变化，这可能是由染色质的时间变化引起的。

通过比较实验数据和模拟数据，科学家们得出结论，受限运动是由交联染色质链网络或DNA链之间的桥网构成的，这些桥是凝胶相的特征。然而，这些交联的数量“恰到好处”以使DNA靠近溶胶相 - 一个描述未交联链解决方案的液相。

这种模式向科学家们表明，存在基因组DNA的某种组织原理 - 接近溶胶 - 凝胶相变 - 这解释了基因组如何在核内同时具有稳定性和响应性。

这些结果表明细胞核内DNA的包装模式对细胞的命运有影响 - 无论它是活细胞还是病细胞。

“我们拥有来自物理学的严谨理论 - 抽象原理和数学方程式。我们拥有最先进的生物学实验 - 对活哺乳动物细胞核中基因片段的创新追踪，”张说。“当两个方面连贯地融合成一个故事时，我真的感到惊讶和兴奋，物理不仅仅是描述基因片段动态的工具，而且有助于确定基因组的物理状态，并进一步阐明影响该状态的物理性质对其生物学功能的影响。“

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