Come si sviluppano le strutture cromosomiche

I ricercatori stanno facendo passi da gigante nella comprensione di come le strutture cromosomiche cambiano durante il ciclo di vita della cellula

Questo studio, effettuato dalla Rice University, sui processi motorizzati che influenzano attivamente l'organizzazione dei cromosomi è stato pubblicato negli Atti della National Academy of Science (1).

«Questa ricerca fornisce una comprensione più profonda di come i processi motorizzati modellano le strutture cromosomiche e influenzano le funzioni cellulari», ha affermato il professor Peter Wolynes (2), coautore dello studio e D.R. docente di scienze della Fondazione Bullard-Welch. Wolynes è anche professore di chimica, bioscienze, fisica e astronomia e condirettore del Centro di fisica biologica teorica (CTBP).

La ricerca introduce due tipologie di modelli di catena motorizzata: motori per il nuoto e motori per la presa. Questi motori svolgono ruoli distinti nella manipolazione della struttura cromosomica.

I motori del nuoto, simili alle RNA polimerasi – enzimi che copiano le sequenze di DNA nell’RNA – aiutano ad espandere e contrarre la fibra della cromatina mentre i geni vengono decodificati. I motori di presa uniscono segmenti distanti di fibre di cromatina, creando correlazioni a lungo raggio necessarie per mantenere libero il nodo cromosomico.

Le proteine motrici, che consumano energia chimica, sono fondamentali nel modellare l'architettura dei cromosomi. I ricercatori hanno esplorato il modo in cui queste proteine influiscono sulle catene polimeriche ideali. Hanno scoperto che i motori del nuoto possono portare alla contrazione o all’espansione a seconda delle forze esercitate. Al contrario, i motori di presa producono effetti coerenti a lungo raggio, allineandosi con i modelli osservati negli esperimenti Hi-C, che identificano le interazioni della cromatina nel nucleo cellulare durante l’interfase, una fase del ciclo cellulare in cui una cellula non si divide e i cromosomi sono decondensati. I motori che fanno questo sono particolarmente deboli e si fermerebbero facilmente quando formano dei loop, quindi i ricercatori hanno cercato un modo per accelerarli.

«Questo studio è degno di nota per l'uso della modellazione teorica dell'organizzazione della catena cromosomica da parte delle proteine motrici», ha affermato il dottor Zhiyu Cao, coautore dello studio e studente laureato presso il CTBP.

Utilizzando un approccio di meccanica statistica, i ricercatori hanno creato una descrizione autoconsistente che prevede la distribuzione spaziale delle probabilità di estrusione del circuito. Questo modello ha risolto il modo in cui le risposte dei motori alle forze esercitate dal DNA che rotola casualmente possono essere superate, in modo che possano ancora effettuare l’impaccamento necessario per adattare la lunga catena di cromosomi nel nucleo cellulare microscopico.

L'organizzazione tridimensionale dei cromosomi influenza processi biologici vitali come la replicazione del DNA e la differenziazione delle cellule durante lo sviluppo degli embrioni.

Questo studio è stato sostenuto dalla Cattedra Bullard-Welch della Rice (concessione C-0016) e dal Centro di fisica biologica teorica sponsorizzato dalla National Science Foundation (concessione PHY-2019745).

Riferimenti:

(1) Motorized chain models of the ideal chromosome

(2) Peter Wolynes

Descrizione foto: Zhiyu Cao, sinistra, e Peter Wolynes, destra. - Credit: Rice University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Rice researchers uncover key mechanisms in chromosome structure development