Os cromossomos humanos são longas cadeias poliméricas que armazenam informações genéticas. O núcleo de cada célula contém todo o genoma humano (DNA) codificado em 46 cromossomos com comprimento total de cerca de 2 metros. Para caber no núcleo microscópico da célula e ao mesmo tempo fornecer acesso constante à informação genética, os cromossomos são dobrados no núcleo de uma forma especial e predeterminada. O dobramento do DNA é uma tarefa urgente na interseção da física dos polímeros e da biologia de sistemas.



Há alguns anos, como um dos mecanismos de dobramento dos cromossomos, os pesquisadores propuseram a hipótese de extrusão ativa de alças nos cromossomos por motores moleculares. Embora a capacidade dos motores de extrusão de DNA in vitro tenha sido demonstrada, observar experimentalmente loops em uma célula viva é uma tarefa tecnicamente muito difícil, quase impossível.

Uma equipe de cientistas da Skoltech, do MIT e de outras organizações científicas importantes na Rússia e nos EUA apresentou um modelo físico de um polímero dobrado em voltas. A solução analítica deste modelo permitiu aos cientistas reproduzir as características universais do empacotamento cromossômico com base nos dados experimentais – a imagem mostra a curva derivada pico-mergulho da probabilidade de contato.

O trabalho teórico permitirá aos pesquisadores entender como a extrusão das alças afeta as propriedades biofísicas do cromossomo e extrair parâmetros dessas alças a partir dos dados experimentais. O artigo foi publicado na Physical Review X .

"A extrusão de loops por motores, como costuma acontecer na biologia, é aleatória - eles se formam e desaparecem constantemente. Isso, em particular, explica por que sua detecção experimental em uma única célula viva é tão difícil. Adotamos uma abordagem diferente. Desenvolvemos uma teoria física que mostra como loops distribuídos aleatoriamente em um polímero afetariam a organização espacial do polímero. Em seguida, analisamos dados experimentais sobre o empacotamento espacial de cromossomos obtidos em bilhões de células vivas e encontramos ali as mesmas características estatísticas. diz Kirill Polovnikov, principal autor do estudo, professor assistente e chefe do grupo de pesquisa da Skoltech.

A teoria desenvolvida permitiu determinar o tamanho típico das alças cromossômicas e sua densidade. Além disso, os autores descobriram um novo efeito topológico associado aos loops. Quando as alças são extrusadas, a espinha dorsal da cadeia encurta, porém, ela se estende no espaço tridimensional devido ao chamado efeito de "diluição de emaranhados" no sistema polimérico.

Os cientistas desenvolveram um modelo analítico desse efeito e também confirmaram seus resultados em simulações computacionais. A teoria ajuda a identificar e caracterizar alças cromossômicas usando dados experimentais e muda nossa compreensão da organização topológica dos cromossomos em uma célula viva.

"Assim como os astrofísicos encontram novos exoplanetas pela diminuição da luminosidade da estrela-mãe durante a passagem do planeta, a nossa teoria oferece uma ferramenta para detectar o 'traço' de loops nos dados genômicos. Surpreendentemente, as características identificadas revelam-se ser universal não apenas para os humanos, mas também para as células de outros organismos. Aparentemente, o dobramento dos cromossomos em alças é um dos princípios mais gerais da organização espacial do DNA", acrescenta Polovnikov.

Mais informações: Kirill E. Polovnikov et al, Crumpled Polymer with Loops Recapitula Key Features of Chromosome Organization, Physical Review X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041029
Informações do diário: Revisão Física X

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