DNA的运动如何控制基因活性

进行尖端科学需要跳出框框思考并将不同的科学学科结合在一起。有时这甚至意味着在正确的时间出现在正确的地点。对于ISTA 博士后研究员兼 NOMIS 研究员David Brückner来说，上述所有事情都是在他参加普林斯顿大学 Thomas Gregor教授的校园讲座时生效的。受到这次演讲的启发，布鲁克纳提出了一个想法：以物理方式解释格雷戈尔提出的具体数据集。现在，他们的合作成果发表在《科学》杂志上。他们强调了染色体上两个特定基因元件的随机运动，这些元件必须接触才能使基因在 3D 空间中变得活跃。

DNA 如何融入细胞核

像人类这样的生物体是建立在存储在 DNA(我们的分子蓝图)中的基因之上的。DNA 是一种聚合物，是由较小的单个部分(单体)组成的巨大分子。它位于每个细胞的细胞核中。“根据生物体的不同，DNA 聚合物的长度可达数米，但细胞核的大小约为微米，”Brückner 解释道。为了适应微小的细胞核，DNA 像在线轴上一样盘绕起来，并进一步压缩成我们在生物学教科书中都遇到过的众所周知的染色体形状。

“尽管染色体高度浓缩，但它并不是静态的;它们一直在晃动，”物理学家继续说道。这些动态非常重要。每当需要激活特定基因时，聚合物上称为“增强子”和“启动子”的两个区域需要紧密接触并相互结合。只有当这种情况发生时，细胞机器才会读取基因信息并形成 RNA 分子，最终产生对生物体所需的所有过程至关重要的蛋白质。

根据生物体的不同，增强子和启动子在染色体上可能相距很远。“使用以前使用的方法，您可以获得这些元素之间距离的静态视图，但无法了解系统如何随时间演变，”布鲁克纳解释道。科学家们对这些缺失的信息很感兴趣，他们开始动态地了解这些元素是如何组织的以及它们如何在 3D 空间中实时移动。

可视化基因区域

为了实现这一目标，普林斯顿大学的实验科学家们建立了一种方法，可以在一定时间内追踪果蝇胚胎中的这两个 DNA 元件。通过基因操作，DNA 元件被荧光标记，增强子区域呈绿色亮起，启动子区域呈蓝色亮起。使用实时成像(活细胞的延时显微镜)，科学家们能够可视化果蝇胚胎中的荧光点，以了解它们如何移动来寻找彼此。

一旦两个点接近，基因就会被激活，并且额外的红灯会亮起，因为 RNA 也被红色荧光团标记。布鲁克纳兴奋地补充道：“我们可以直观地读出增强子和启动子何时接触。这给了我们很多关于他们的轨迹的信息。”

DNA 密集且运动速度快，

当时的挑战是如何分析这个巨大的随机运动数据集。布鲁克纳的理论物理学背景使他能够提取统计数据来了解系统的典型行为。他应用了两种简化的不同物理模型来分析数据。

其中之一是劳斯模型。它假设聚合物的每个单体都是弹性弹簧。它预测松散的结构和快速扩散——一种随机运动，基因区域偶尔会相遇。另一种模型称为“分形球”。它预测结构非常紧凑，因此扩散缓慢。“令人惊讶的是，我们在数据中发现该系统是由这两个模型的组合来描述的——一种基于分形球体模型的高密度结构，以及由劳斯模型的统计数据描述的扩散，”布鲁克纳解释说。

由于密集堆积和快速运动的结合，这两个基因区域的结合对它们沿染色体的距离的依赖程度比之前预期的要小得多。“如果这样的系统始终处于流动和动态状态，那么远距离通信比我们想象的要好得多，”布鲁克纳补充道。

这项研究汇集了生物学和物理学的世界。对于物理学家来说，这很有趣，因为科学家们用早已存在的物理理论测试了复杂生物系统的动力学;对于生物学家来说，它可以深入了解染色体的特征，这可能有助于更详细地了解基因相互作用和基因激活。