簡單而強大的模型預測DNA組織

科學家經常試圖通過干擾和觀察發(fā)生的事情來了解細胞中的重要過程。但細胞通常會死亡。這就是斯坦福大學化學工程與材料科學與工程副教授安德魯斯帕科維茨(Andrew Spakowitz)預見到的問題，他們試圖了解科學家如何在我們的細胞中組織DNA的基本信息。

為了解決這個問題，Spakowitz和他的團隊建立了一個計算機模型來操作模擬中的“細胞” - 而不會殺死過程中的任何真實細胞。他們的模型預測細胞的變化如何影響DNA的包裝方式。這些信息將為其他實驗室實驗奠定基礎，以了解DNA組織如何影響哪些基因被打開或關閉。

斯帕科維茨說：“問題在于是否有希望在一個無可否認的復雜生活系統(tǒng)中捕獲必要的行為，而這些系統(tǒng)就像我們的模型一樣簡單。” 他們在“ 美國國家科學院院刊”上報道的答案是肯定的。

組織DNA

每個人體細胞中大約有6英尺的DNA。為了適應所有這些，長鏈的DNA纏繞在稱為組蛋白的蛋白質簇周圍。緊密纏繞的DNA中的基因(稱為異染色質)經常被關閉，因為細胞很難進入。

計算機模型顯示異染色質區(qū)域，看起來像密集的一串字符串，以及稱為常染色質的開放區(qū)域 - 基因通?；钴S的地方。通過研究DNA如何被包裝在細胞中，研究人員可以推斷出哪些基因可能被打開或關閉。

“建立DNA的物理組織與基因表達之間的聯系是理解細胞如何控制哪些基因表達以及哪些不表達的重要步驟，”Spakowitz說。

為了解決定DNA如何組織的因素，Spakowitz和他的團隊調整了計算機模型中的“細胞”，以了解某些變化將如何影響DNA在細胞核中的包裝。例如，當他們添加更多的HP1蛋白質參與基因關閉時，DNA形成了密集的團塊。這些區(qū)域的組蛋白也標有化學基團，可以使附近的基因沉默。

現實的典范

為了驗證他們的模型是否有效，該團隊將模型的預測與實際實驗的結果進行了比較。他們分析了實驗室實驗中的數據，這些實驗在特定時刻凍結細胞，基本上可以快速了解DNA的組織方式。當團隊在模型中模擬這些實驗時，他們看到了與真實細胞中相同的結果。

Spakowitz實驗室的物理博士候選人Quinn MacPherson表示，“僅僅考慮一個因素就可以顯示模擬和實驗數據之間的巨大一致性”。這告訴團隊，它的簡單模型可以準確預測DNA在真實細胞中的組織方式。

在模擬細胞中系統(tǒng)地改變事物將允許研究人員在實驗室工作臺上不可行的實驗中操縱DNA。Spakowitz實驗室的生物物理學博士候選人布魯諾貝爾特蘭說：“這些實驗可能花費數萬美元，在實驗室里花費數不清的時間，但我們可以在計算機上旋轉一個旋鈕。”

在做完工作之前進行模擬實驗可以幫助研究人員優(yōu)先考慮哪些實驗室實驗。Spakowitz和他的團隊希望他們的模型將提供一個指導，以告知其他人關于DNA組織如何影響哪些基因被打開或關閉的研究。

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