Un team di scienziati ha scoperto i principi fisici - una serie di forze e flussi idrodinamici - che aiutano a garantire il corretto funzionamento del progetto della vita
La sua scoperta fornisce nuove informazioni sul genoma, offrendo potenzialmente un nuovo mezzo per individuare le aberrazioni genomiche legate ai disturbi dello sviluppo e alle malattie umane.
La dottoressa Alexandra Zidovska (1), professoressa associata presso il Dipartimento di fisica della New York University e autrice del documento, che appare sulla rivista Physical Review X (PRX) (2), afferma: «Il modo in cui il genoma è organizzato e impacchettato all'interno del nucleo influisce direttamente sulla sua funzione biologica, ma i principi fisici alla base di questa organizzazione sono tutt'altro che compresi. I nostri risultati forniscono informazioni fondamentali sulle origini biofisiche dell'organizzazione del genoma all'interno del nucleo cellulare».
«Tale conoscenza è fondamentale per comprendere la funzione del genoma», aggiunge il dottor David Saintillan (3), professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'University of California San Diego e autore dell'articolo.
«I nostri risultati mostrano il ruolo chiave della fisica nell'organizzazione del genoma e quindi nella sua funzione», osserva il dottor Michael Shelley (4), professore al Courant Institute of Mathematical Sciences della NYU, ricercatore al Flatiron Institute e autore dell'articolo.
Il team, che comprendeva anche Wen Yan (5), ex Center for Computational Biology del Flatiron Institute, e Achal Mahajan (6), uno studente di dottorato dell'UC San Diego all'epoca del lavoro, si è concentrato sul ruolo del nucleoplasma, il fluido in cui il genoma è immerso e le forze che guidano la sua organizzazione.
Nello specifico, gli scienziati hanno esaminato le forze applicate sul materiale cromosomico, o cromatina, dagli enzimi al lavoro nel nucleo di una cellula. Qui, queste forze avviano processi, come la trascrizione, e agiscono in modi che influenzano la disposizione spaziale della cromatina.
Questa organizzazione influisce sulla funzione biologica. Ma nonostante il ruolo cruciale di questo processo nel trasmettere informazioni genetiche, la fisica sottostante è opaca.
Nel perseguire una maggiore comprensione di questa dinamica, gli scienziati si sono concentrati sulla compartimentazione del genoma nelle sue parti primarie, l'eucromatina e l'eterocromatina. L'eucromatina contiene prevalentemente geni che trascrivono attivamente, che guidano l'espressione; l'eterocromatina contiene geni che sono silenziati e quindi non espressi nella cellula.
Per catturarlo, hanno creato un sistema di modellazione al computer che ha replicato questo processo attraverso una serie di simulazioni. Nel loro nucleo modello, 23 fibre di cromatina - il numero di cromosomi nel genoma umano - sono state modellate come catene flosce e inserite in una sfera piena di liquido. Ogni catena è stata suddivisa in regioni attive, o eucromatina, e regioni eterocromatiche passive.
Hanno scoperto che quando le forze attive agiscono sulla fibra cromatinica, generano flussi nel fluido attorno a loro, che a loro volta influenzano il movimento e il posizionamento della cromatina circostante. Queste forze spingono sulle parti eucromatiche e guidano i flussi che causano un importante riarrangiamento spaziale del genoma, portando in particolare alla formazione di compartimenti eterocromatici.
Il dottor Alexandra Zidovska dice: «Le parti eucromatiche, o attive, allontanano le parti eterocromatiche, o inattive, e le raggruppano insieme. Questo è il modo in cui la cellula immagazzina efficacemente i geni inattivi. Questo è fondamentale per la nostra salute: se questo processo si altera, l'organismo non si forma correttamente e potenzialmente porta a disturbi dello sviluppo e altre afflizioni, come lo sviluppo di cellule tumorali».
Questa ricerca è stata supportata da sovvenzioni della National Science Foundation (CMMI-1762506, DMS-2153432, CMMI-1762566, DMS-2153520, DMR-2004469, CAREER PHY-1554880 and PHY-2210541).
Riferimenti:
(2) Euchromatin activity enhances segregation and compaction of heterochromatin in the cell nucleus
(3) David Saintillan
(4) Michael Shelley
(5) Wen Yan
(6) Achal Mahajan
Descrizione foto: Il nucleo cellulare è pieno di cromosomi, che sono illustrati da diversi colori in questa rappresentazione. Le sue disposizioni cromosomiche sono influenzate dalle forze attive sul genoma e dalle loro interazioni idrodinamiche. - Credit: Achal Mahajan, UC San Diego.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Stresses and hydrodynamics -- Scientists uncover new organizing principles of the genome