Un model recent ilustrează reorganizarea cromozomilor în timpul replicării celulare
Este o provocare să faci o copie exactă a ta însuți, mai ales pentru celulele care suferă mitoză, unde acestea replică tot ce se află în interiorul lor, inclusiv ADN-ul lor ordonat, apoi se împart în două. Profesorul de la Universitatea Rice, Peter Wolynes, studiază modul în care ADN-ul împachetat, denumit cromozom, își schimbă structura în timpul replicării, trecând de la o formă sferică la una cilindrică care poate fi transportată ușor către celula fiică.
Când o celulă suferă mitoză, cromozomii își pierd simetria. Aceștia trec de la forma sferică, care este simetrică în toate direcțiile, la o formă cilindrică care pierde simetria sferică a mingii.
Când cromozomii sunt în forma sferică în timpul majorității vieții celulare, au bucle mici care ies din ei, asemănătoare cu o minge de lână pe care o pisică a jucat ușor. Într-un articol anterior publicat în Nature Communications, echipa lui Wolynes a descris cum un sistem format din două motoare care trag de aceste bucle poate transforma în cele din urmă mingea într-o formă cilindrică.
„Știm că proteinele cheie acționează ca motoare consumând energie”, a explicat Wolynes. „În primul nostru articol, am propus un sistem în care aceste proteine motor puteau trage de buclele extrudate ale ADN-ului, provocând în cele din urmă deformarea mingii într-un cilindru.”
Wolynes și echipa sa au regândit teoria, concentrându-se acum pe modul în care cele două tipuri diferite de motoare acționează diferit. Un tip de motor, unul procesiv, se leagă de o buclă de ADN și trage continuu, rămânând mult timp într-un loc. Un motor nonprocesiv se leagă de o buclă de ADN și trage puțin, dar înainte de a putea trage din nou, de obicei se desprinde și începe din nou. Atunci când cercetătorii au rulat modelele lor cu primul motor funcționând ca un motor nonprocesiv și al doilea ca un motor procesiv, au descoperit că simulările lor se potriveau strâns cu datele.
„Modelul nostru arată că procesivitatea motorului ajută la ruperea simetriei,” a spus Zhiyu Cao, un cercetător post-doctorat și autor principal al articolului. „Ruperea simetriei care are loc local este ceea ce conduce deformarea mingii în cilindrul observat la nivel global.”
Imaginați-vă pisica jucându-se cu mingea de lână. Gheruțele din față ale pisicii, motoarele procesive, se blochează în lână, trăgând și trăgând la aceleași locuri. Între timp, gheruțele din spate, motoarele nonprocesive, rămân dezlipite, astfel că pisica le folosește pentru a trage de locuri diferite din mingea de lână în timp ce se joacă. În cele din urmă, această tragere va schimba forma mingii de lână, rupându-i simetria.
Modelul procesiv conduce la o caracteristică ciudată în structura cromozomului, dacă cromozomul nu este uniform în capacitatea sa de a lega motorul. Dacă o buclă se află aproape de intersecția dintre o regiune activă de ADN și o regiune inactivă, regiunea activă devine mai probabil să aibă un motor procesiv, ceea ce duce la un model structural observat numit „jet cromozomial”, care anterior rămăsese neexplicat.
În modelul în care ambele motoare erau nonprocesive, cilindrul cromozomului se dovedește a fi un cristal, dar unul destul de moale: subunitățile erau organizate periodic, dar nu atât de strâns precum sunt în cristalele dure mai cunoscute. În modelul cu atât motoare procesive, cât și nonprocesive, cilindrul rezultat nu este complet cristalin, ci capătă o structură cristalină lichidă smectică, similară cu pelicula de săpun care apare atunci când te speli pe mâini. Organizarea acestei structuri este mai liberă și stratificată, oferindu-i mult mai multă flexibilitate și, poate, capacitatea de a fi mișcat.
„Structura cilindrului este legată de simetria sa ruptă,” a spus Wolynes. „Acest studiu ridică întrebarea de ce cromozomii eucariote, precum cei ai oamenilor, suferă schimbări de simetrie ruptă, în timp ce aparent cromozomii bacterieni nu au nevoie să facă acest lucru?”
Noțiunea teoretică a simetriei rupte este importantă în întreaga fizică și chiar în cosmologie, a adăugat Wolynes. Descoperirea mecanismelor de simetrie ruptă în biofizica cromozomială ar trebui să inspire noi experimente și să conducă la o înțelegere mai profundă a modului în care o celulă se copiază pe sine.
