马里兰大学物理学家领导的一项新研究揭示了调节基因的细胞过程。这篇发表在《科学进展》杂志上的论文解释了一种称为染色质的聚合物(DNA的包装结构)的动力学如何调节基因表达。

通过使用机器学习和统计算法，由物理学教授ArpitaUpadhyaya和美国国立卫生研究院高级研究员GordonHager领导的研究小组发现，染色质可以在几秒钟内在较低和较高迁移状态之间切换。研究小组发现，染色质在细胞内移动的程度是一个被忽视但重要的过程，较低的移动状态与基因表达有关。

值得注意的是，转录因子(TF)——结合染色质聚合物内特定DNA序列并打开或关闭基因的蛋白质——表现出与它们所结合的染色质片段相同的移动性。在他们的研究中，研究人员分析了一组称为核受体的转录因子，它们是治疗多种疾病和病症的药物的目标。

“我们研究中的核受体是乳腺癌、前列腺癌和糖尿病的重要治疗靶点，”该研究的第一作者KaustubhWagh(物理学博士)解释道。“了解它们的基本作用机制对于建立这些蛋白质如何发挥作用的基线至关重要。”

因此，这些发现可能在医学上有广泛的应用。

在移动中

孩子从父母那里继承的遗传信息包含在DNA中——这是细胞可以制造的所有可能蛋白质的指令集。当从头到尾拉伸时，DNA分子的长度约为2米，它必须以高度组织的方式压缩100,000次才能装入细胞核内。为了实现这一目标，DNA被包装到细胞核中的染色质中，但这束遗传物质并不会保持静止。

“我们知道基因组在细胞核中的组织方式对基因表达具有深远的影响，”瓦格说。“然而，一个经常被忽视的事实是染色质在细胞内不断移动，这种移动性可能对基因调控产生重要影响。”

该研究小组(包括来自国家癌症研究所、布宜诺斯艾利斯大学和南丹麦大学的合作者)表明，染色质在两种不同的迁移状态之间切换：较低的状态(状态1)和较高的状态(状态2)。早期的理论认为细胞核的不同部分具有固定的染色质迁移率，但研究人员证明染色质更具动态性。

“之前的研究提出，不同的染色质迁移状态占据细胞核的不同区域。然而，这些研究是在亚秒级的时间尺度上进行的，”物理科学与技术研究所联合任命的Upadhyaya说。“我们通过证明在更长的时间尺度上，染色质聚合物可以在两种迁移状态之间局部切换来扩展这个模型。”

研究人员发现，具有转录活性的TF更倾向于与状态1的染色质结合。他们还惊讶地发现，处于较低迁移状态的TF分子结合的时间更长，可能会影响基因调控。

在大海中寻找木筏

这项研究增进了科学家对染色质动力学和基因表达的理解。研究人员将利用他们的框架来研究突变如何影响转录因子的功能，这可以深入了解各种疾病的发生。

Wagh说：“我们现在能够回答特定疾病表型的发生是否是由于TF结合时间太长或太短，或者没有以正确的染色质状态结合所致。”

该团队还计划研究特遣队如何实现寻找目标这一具有挑战性的壮举。转录因子以DNA的特定碱基对序列为目标，只有找到并结合该序列，它们才能招募其他蛋白质来激活附近的基因。

“特遣队找到目标地点就像在大海中央找到一根木筏，”乌帕迪亚亚说。“它竟然发生了，这就是一个奇迹，我们计划弄清楚如何发生。”

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