세포는 염색체의 형태로 핵에 모든 유전 물질을 저장하지만 그것이 전부는 아닙니다. 핵은 또한 리보솜을 만드는 데 도움이 되는 단백질과 RNA 클러스터인 핵소체(nucleoli)라고 불리는 작은 몸체의 고향입니다.

컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 MIT 화학자들은 이제 이러한 신체가 핵의 염색체와 상호 작용하는 방법과 이러한 상호 작용이 핵소체가 핵 내에서 안정적인 방울로 존재하도록 돕는 방법을 발견했습니다.

그들의 발견은 또한 염색질-핵체 상호작용으로 인해 게놈이 겔과 같은 구조를 취하도록 하여 게놈과 전사 기계 간의 안정적인 상호작용을 촉진하는 데 도움이 된다고 제안합니다. 이러한 상호 작용은 유전자 발현을 제어하는 ​​데 도움이 됩니다.

화이자-라우바흐(Pfizer-Laubach) 경력 개발 화학과 부교수인 Bin Zhang은 "이 모델은 게놈이 시스템이 중요한 접촉을 인코딩하고 이러한 접촉을 기능적 출력으로 변환하는 데 도움이 될 수 있는 겔과 같은 특징을 가질 수 있다고 생각하도록 영감을 주었습니다"라고 말했습니다. MIT의 Broad Institute of Harvard 및 MIT의 준회원이자 이 연구의 수석 저자입니다.

MIT 대학원생인 Yifeng Qi는 이 논문의 주 저자이며, 오늘 자연 통신.

방울 모델링

Zhang의 연구 대부분은 게놈의 XNUMX차원 구조를 모델링하고 그 구조가 유전자 조절에 어떻게 영향을 미치는지 분석하는 데 중점을 둡니다.

새로운 연구에서 그는 핵소체를 포함하도록 모델링을 확장하기를 원했습니다. 세포 분열이 시작될 때 분해되었다가 나중에 다시 형성되는 이 작은 몸체는 RNA와 단백질의 천 개 이상의 서로 다른 분자로 구성됩니다. 핵소체의 주요 기능 중 하나는 리보솜의 구성요소인 리보솜 RNA를 생성하는 것입니다.

최근 연구에 따르면 핵소체는 여러 개의 액체 방울로 존재합니다. 이것은 정상적인 조건에서 시스템의 표면 장력을 최소화하기 위해 여러 방울이 결국 하나의 큰 방울로 융합되어야 하기 때문에 당혹스러웠다고 Zhang은 말했습니다.

"핵에서 어떻게 든 이러한 여러 방울이 약 24시간 동안 전체 세포 주기에 걸쳐 안정적으로 유지될 수 있기 때문에 문제가 흥미로워집니다."라고 그는 말합니다.

이 현상을 탐구하기 위해 Zhang과 Qi는 시간이 지남에 따라 분자 시스템이 어떻게 변하는지 모델링할 수 있는 분자 역학 시뮬레이션이라는 기술을 사용했습니다. 시뮬레이션을 시작할 때 핵소체를 구성하는 단백질과 RNA는 핵 전체에 무작위로 분포하고 시뮬레이션은 점차적으로 작은 방울을 형성하는 방법을 추적합니다.

시뮬레이션에서 연구원들은 염색체를 구성하고 단백질과 DNA를 포함하는 물질인 염색질도 포함했습니다. 염색체의 구조를 분석한 이전 실험의 데이터를 사용하여 MIT 팀은 개별 염색체의 상호 작용 에너지를 계산하여 3D 게놈 구조의 사실적인 표현을 제공할 수 있었습니다.

이 모델을 사용하여 연구자들은 핵소체 방울이 어떻게 형성되는지 관찰할 수 있었습니다. 그들은 염색질 없이 핵 구성 요소를 자체적으로 모델링하면 예상대로 결국 하나의 큰 물방울로 융합된다는 것을 발견했습니다. 그러나 일단 염색질이 모델에 도입되면 연구자들은 핵소체가 살아있는 세포에서와 마찬가지로 여러 방울을 형성한다는 것을 발견했습니다.

연구원들은 또한 그것이 일어나는 이유를 발견했습니다. 핵소체 방울은 염색질의 특정 영역에 묶여 있고, 일단 그렇게 되면 염색질은 핵소체가 서로 융합하는 것을 방지하는 끌림 역할을 합니다.

Zhang은 "이러한 힘은 본질적으로 시스템을 작은 방울로 묶어서 융합하는 것을 방해합니다."라고 말합니다. "우리의 연구는 융합 속도를 크게 늦추고 시스템을 액적 상태로 정지시킬 수 있는 이 염색질 네트워크의 중요성을 강조한 첫 번째 연구입니다."

유전자 제어
 

핵소체는 핵에서 발견되는 유일한 작은 구조가 아닙니다. 다른 것들은 핵 반점과 게놈을 둘러싸고 염색질에 결합할 수 있는 외피인 핵층을 포함합니다. Zhang의 그룹은 현재 이러한 핵 구조의 기여를 모델링하는 작업을 하고 있으며 초기 발견은 이것이 게놈에 젤과 유사한 특성을 부여하는 데 도움이 된다고 제안한다고 Zhang은 말했습니다.

“염색질과 핵체 사이에서 관찰된 이러한 결합은 핵소체에만 국한되지 않습니다. 다른 핵무기에도 일반적입니다.”라고 그는 말합니다. "이 핵체 농도는 게놈 조직의 역학을 근본적으로 변화시키고 게놈을 액체에서 젤로 바꿀 가능성이 매우 높습니다."

이 젤과 같은 상태는 구조가 액체 상태로 존재하는 경우보다 염색질의 다른 영역이 서로 더 쉽게 상호 작용할 수 있다고 그는 말합니다. 유전자는 종종 물리적으로 멀리 떨어져 있는 염색질에 의해 제어되기 때문에 게놈의 먼 영역 사이에서 안정적인 상호 작용을 유지하는 것이 중요합니다.

이 연구는 국립 보건원(National Institutes of Health)과 고든 및 베티 무어 재단(Gordon and Betty Moore Foundation)의 자금 지원을 받았습니다.