細胞はその遺伝物質のすべてを染色体の形で核に保存しますが、そこに隠れているのはそれだけではありません。 核には、核小体と呼ばれる小天体もあります。核小体は、リボソームの構築を助けるタンパク質とRNAのクラスターです。

コンピューターシミュレーションを使用して、MITの化学者は、これらの物体が核内の染色体とどのように相互作用し、核小体が核内に安定した液滴として存在するのをどのように助けるかを発見しました。

彼らの発見はまた、クロマチンと核体の相互作用がゲノムをゲル状の構造にすることを示唆しており、これはゲノムと転写機構の間の安定した相互作用を促進するのに役立ちます。 これらの相互作用は、遺伝子発現の制御に役立ちます。

「このモデルは、システムが重要な連絡先をエンコードし、それらの連絡先を機能的な出力にさらに変換するのに役立つゲルのような機能をゲノムが持つ可能性があると考えるようになりました」と、ファイザー-ラウバッハキャリア開発准教授のBinZhangは述べています。 MITでは、ハーバード大学とMITのブロードインスティテュートの准メンバーであり、研究の上級著者です。

MITの大学院生であるYifengQiは、本日 ネイチャー·コミュニケーションズ.

液滴のモデリング

Zhangの研究の多くは、ゲノムのXNUMX次元構造をモデル化し、その構造が遺伝子調節にどのように影響するかを分析することに焦点を当てています。

新しい研究では、彼は核小体を含むようにモデリングを拡張したいと考えていました。 これらの小天体は、細胞分裂の開始時に分解し、プロセスの後半で再形成され、XNUMXを超える異なる分子のRNAとタンパク質で構成されています。 核小体の重要な機能のXNUMXつは、リボソームの構成要素であるリボソームRNAを生成することです。

最近の研究は、核小体が複数の液滴として存在することを示唆しています。 システムの表面張力を最小限に抑えるために、通常の状態では、複数の液滴が最終的にXNUMXつの大きな液滴に融合するため、これは不可解でした、とZhang氏は言います。

「そこで問題が興味深いのです。核内では、どういうわけか、これらの複数の液滴は、細胞周期全体にわたって、約24時間にわたって安定したままである可​​能性があるからです」と彼は言います。

この現象を調査するために、ZhangとQiは、分子動力学シミュレーションと呼ばれる手法を使用しました。これにより、分子システムが時間の経過とともにどのように変化するかをモデル化できます。 シミュレーションの開始時に、核小体を構成するタンパク質とRNAは核全体にランダムに分布し、シミュレーションはそれらがどのように小さな液滴を形成するかを追跡します。

彼らのシミュレーションには、染色体を構成し、タンパク質やDNAを含む物質であるクロマチンも含まれています。 MITチームは、染色体の構造を分析した以前の実験のデータを使用して、個々の染色体の相互作用エネルギーを計算しました。これにより、3Dゲノム構造の現実的な表現を提供できるようになりました。

このモデルを使用して、研究者は核小体の液滴がどのように形成されるかを観察することができました。 彼らは、クロマチンを使用せずに核小体成分を独自にモデル化すると、予想どおり、最終的にXNUMXつの大きな液滴に融合することを発見しました。 しかし、クロマチンがモデルに導入されると、研究者たちは、核小体が生細胞の場合と同じように複数の液滴を形成することを発見しました。

研究者たちはまた、なぜそれが起こるのかを発見しました。核小体の液滴がクロマチンの特定の領域につながれ、それが起こると、クロマチンは核小体が互いに融合するのを防ぐ抗力として機能します。

「これらの力は、基本的にシステムをそれらの小さな液滴に閉じ込め、それらが融合するのを妨げます」と張氏は言います。 「私たちの研究は、融合を大幅に遅らせ、システムを液滴状態で停止させる可能性のあるこのクロマチンネットワークの重要性を明らかにした最初の研究です。」

遺伝子制御
 

核小体だけが核に見られる小さな構造ではありません。核小体や核ラミナ、ゲノムを取り囲み、クロマチンに結合できるエンベロープなどがあります。 張のグループは現在、これらの核構造の寄与のモデル化に取り組んでおり、彼らの最初の発見は、それらがゲノムによりゲルのような特性を与えるのに役立つことを示唆している、と張は言います。

「クロマチンと核体の間で観察されたこの結合は、核小体に固有のものではありません。 他の核体にも一般的です」と彼は言います。 「この核体濃度は、ゲノム構成のダイナミクスを根本的に変え、ゲノムを液体からゲルに変える可能性が非常に高いです。」

このゲルのような状態は、構造が液体状態で存在する場合よりも、クロマチンのさまざまな領域が互いに相互作用するのを容易にするだろうと彼は言います。 遺伝子は物理的に離れたクロマチンのストレッチによって制御されることが多いため、ゲノムの離れた領域間の安定した相互作用を維持することは重要です。

この研究は、国立衛生研究所とゴードンアンドベティムーア財団によって資金提供されました。