Os pesquisadores identificam regras simples para dobrar o genoma

Uma equipe internacional de pesquisadores foi co-liderada por Job Dekker, Ph.D., na UMass Chan Medical College, identificou regras que dizem às células como dobrar o DNA no icônico e icônico cromossomos em forma de X formados durante a mitose que ajudam a garantir a passagem precisa das informações genéticas entre as células durante a divisão celular.

Publicado na revista Ciênciaesses descobertas iluminar funções biológicas básicas subjacentes à mitose em uma escala de micrômetros. Compreender como as células realizam essa tarefa crítica pode fornecer novas idéias importantes sobre a herança e a estabilidade e o reparo do DNA, bem como mutações genéticas que levam a doenças humanas como o câncer.

“Enquanto nós e muitos outros contribuímos para a compreensão geral de como o genoma é dobrado dentro dos cromossomos durante a mitose – como as células adquirem dinamicamente seu intrincado arranjo de dobra – escalando vários centímetros de informações genéticas em pares de invasores de j. Presidente de Byrne em pesquisa biomédica e professor de biologia de sistemas.

“O trabalho de nossa equipe descreve como as células seguem algumas regras simples para construir cromossomos e dobrar o DNA nessas pequenas e complexas estruturas durante a fase mitótica de divisão celular. “

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Co-líder do estudo com Dekker estão William C. Earnshaw, Ph.D., professor de dinâmica cromossômica da Universidade de Edimburgo; Leonid A. Mirny, Ph.D., Professor de Medicina e Física Biomédica e Física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts; e Anton Goloborodko, Ph.D., líder de grupo do Instituto de Biotecnologia Molecular em Viena.

Quando pensamos em cromossomos, muitos de nós imaginamos as estruturas familiares familiares da biologia do ensino médio que podem ser observadas na divisão de células durante a mitose. Essas estruturas estão entre as mais icônicas em biologia celular. Mais importante, sua formação precisa é essencial para a divisão celular e a passagem do DNA de uma geração de células para a seguinte.

Dentro de cada um desses pequenos cromossomos em forma de X, existem pequenos pares de moléculas de DNA irmã denominadas cromatídeos, metades idênticas do cromossomo criadas quando o DNA é copiado em preparação para a divisão celular durante a mitose. Os cromatídeos, unidos no centrômero, têm vários centímetros de comprimento, mas compactados pela célula com um comprimento de apenas alguns microns. (Após a divisão celular, existem 92 cromatídeos irmãos por célula.) No entanto, como as células dobram essas pequenas cadeias de DNA em estruturas densamente compactadas e complexas têm sido um mistério para biólogos e geneticistas celulares há mais de 150 anos.

O trabalho de Dekker e outros nos últimos 40 anos mostrou que, dentro de cada um desses cromátides, o DNA é dobrado como uma série de loops e os dois cromatídeos irmãos estão conectados um ao outro ao longo de seu comprimento. Esses loops de DNA são gerados na célula por um conjunto de máquinas moleculares chamadas coesinas e condensinas, responsáveis ​​pela ligação do DNA e depois bombeando loops de cromatina a uma taxa incrivelmente rápida.

Usando uma combinação de técnicas de análise genômica usadas para estudar a organização tridimensional dos genomas e interações de cromatina desenvolvidas por Dekker e colegas chamados HI-C, imagem de alta resolução, genômica, proteômica e modelagem de polímeros, Dekker e colegas começaram a responder a essas questões importantes.

Johan Gibcus, Ph.D., Professor Assistente de Biologia de Sistemas e Co-Autor do Estudo, explicou: “Descobrimos que essas máquinas extrudam loops e, ao fazê-lo, correm ao longo dos cromossomos em velocidades extremamente altas de 2-3 kilobases por segundo. Mais importante, descobrimos um conjunto simples de prioridades que definem como as pessoas mais rápidas.

Segundo o Dr. Gibcus, durante a fase mitótica da divisão celular, quatro diferentes laço-Máquinas extrudentes estão agindo simultaneamente ao longo dos cromossomos: dois tipos de máquinas de coesina e dois tipos de condensina máquinas. Durante a interfase, a primeira máquina de coesina extrudam loops ao longo do genoma.

À medida que as células entram na mitose, no entanto, uma máquina de condensina também começa a extrudir loops. Quando uma máquina de condensina é inevitavelmente para uma máquina de coesina, a máquina da condensina take away a máquina de coesina do cromossomo e continua alegremente a caminho, extrudando loops ao longo do genoma.

Em seguida, um segundo tipo de máquina de coesina mantém as duas cromatídeos irmãs unidas, cerca de uma vez a cada milhão de bases ao longo do genoma. Quando uma máquina de condensina encontra essas segundas máquinas de coesina, ela simplesmente passa por ela e continua extrudando. Como resultado, Cromatídeos irmãs permanecem conectados um ao outro no ápice dos loops criados pelas máquinas da condensina.

Finalmente, quando as máquinas de condensina encontram outras máquinas de condensina enquanto extrudam loops, elas simplesmente param e seguram. Como resultado, cada cromatídea é dobrada como uma variedade consecutiva de loops.