Opisujemy Hi-C, metodę, która sonduje trójwymiarową architekturę całych genomów poprzez połączenie ligacji opartej na bliskości z masowo równoległym sekwencjonowaniem sekwencjonowaniem. Skonstruowaliśmy przestrzenne mapy bliskości ludzkiego genomu za pomocą Hi-C w rozdzielczości 1 megabazy. Mapy te potwierdzają obecność terytoriów chromosomów i przestrzenną bliskość małych, bogatych w geny chromosomów. Zidentyfikowaliśmy zidentyfikowaliśmy dodatkowy poziom organizacji genomu, który charakteryzuje się przestrzenną segregacją otwartej i zamkniętej chromatyny, tworząc dwa przedziały genomowe. przedziały. W skali megabazowej konformacja chromatyny jest zgodna z fraktalną globulą, wolną od węzłów, polimerową konformacją, która umożliwia maksymalnie gęste upakowanie przy jednoczesnym zachowaniu zdolności do łatwego składania i rozkładania dowolnego genomu locus. Globula fraktalna różni się od częściej stosowanego modelu równowagi kulistej. modelu równowagi globularnej. Nasze wyniki pokazują moc Hi-C do mapowania dynamicznych konformacji całych genomów. konformacji całych genomów. --- Chromatyna ma złożoną organizację przestrzenną w jądrze komórkowym, która służy istotnym celom funkcjonalnym. Różnorodne konformacje składania chromatyny zostały przez obrazowanie pojedynczych komórek i metody oparte na wychwytywaniu konformacji chromosomów. konformacji chromosomów. Jednak nadal brakuje ujednoliconych ram ilościowych opisujących przestrzenną organizację chromatyny. organizację chromatyny wciąż brakuje. Tutaj badamy model "struny i aby wyjaśnić pochodzenie i różnorodność zachowań chromatyny, które współistnieją i dynamicznie się zmieniają. które współistnieją i dynamicznie zmieniają się w żywych komórkach. Ten prosty model polimerowy model odtwarza właściwości skalowania fałdowania chromatyny zgłaszane eksperymentalnie w różnych systemach komórkowych, fraktalny stan chromatyny, procesy tworzenia domen i zapętlania. Dodatkowo, model przełączania łańcuchów i binderów odtwarza niedawno zaproponowany model "fraktal-globule", ale tylko jako jeden z wielu ale tylko jako jedną z wielu możliwych przejściowych konformacji. --- Powtarzalne sekwencje DNA pochodzące z elementów transpozycyjnych (TE) są rozmieszczone w sposób nielosowy, współgrupując się z innymi klasami elementów powtarzalnych, genami i innymi składnikami genomu. W poprzedniej pracy opisaliśmy rozkłady wielkości podobne do potęgowych (liniowość w skali log-log) w przestrzennym rozmieszczeniu elementów Alu i LINE1 w ludzkim genomie. Tutaj badamy cechy na dużą skalę rozmieszczenia przestrzennego wszystkich głównych klas TE w 14 genomach pochodzących z filogenetycznie odległych organizmów, badając rozkład wielkości odległości między powtórzeniami. odległości między powtórzeniami. Stwierdzono, że rozkłady wielkości podobne do potęgowych są powszechne, rozciągające się do kilku rzędów wielkości. Aby zrozumieć pojawienie się tego wzorca dystrybucyjnego, wprowadzamy scenariusz ewolucyjny, który obejmuje scenariusz ewolucyjny, który obejmuje (i) insercje segmentów DNA (np. nowsze powtórzenia) do rozważanej sekwencji i powtórzenia) do rozważanej sekwencji oraz (ii) eliminacje członków badanej rodziny badanej rodziny TE. W proponowanym modelu uwzględniliśmy również potencjał dla zdarzeń transpozycji (charakterystycznych dla cyklu życia transpozonów DNA) oraz segmentalnych duplikacji. Symulacje odtwarzają główne cechy obserwowanych rozkładów wielkości. rozkładów wielkości. Ponadto badamy wpływ różnych cech genomu na obecność i zakres rozkładów wielkości potęgowych, w tym klasę i wiek TE i wiek, tryb rodzicielskiej transmisji TE, zawartość GC, szybkość delecji i rekombinacji w badanym genomie. rekombinacji w badanym regionie genomowym itp. Nasze obserwacje potwierdzają hipotezę, że insercje materiału genomowego i eliminacje powtórzeń powtórzeń są podstawą prawa mocy w odległościach między powtórzeniami. Istnienie Istnienie tych praw może ułatwić formowanie się niedawno zaproponowanej niedawno zaproponowanej "fraktalnej kuli" dla ograniczonej organizacji chromatyny. --- Fraktalna kula, samopodobna zwarta konformacja polimeru, w której łańcuch jest przestrzennie posegregowany we wszystkich skalach długości, została zaproponowana jako wynik nagłego rozpadu polimeru. Stan ten zyskał nowe zainteresowanie jako jeden z głównych kandydatów na kandydatów na nie splątane stany cząsteczek DNA wewnątrz jąder komórkowych. wewnątrz jąder komórkowych. Poniżej przedstawiamy symulacje Monte Carlo zapadających się polimerów. Znaleźliśmy badając polimery o długościach od 500 do 8000, że łańcuch zapada się w kulkę, która nie jest ani fraktalna, ani tak splątana jak kulka równowagi. globule. Aby zademonstrować, że niefraktalność konformacji nie jest tylko wynikiem dynamiki zapadania się, badamy dodatkowo dynamikę polimerów, które rozpoczynają się od fraktalnych konfiguracji globul. Również w tym przypadku łańcuch łańcuch szybko przemieszcza się do słabo splątanej globuli, w której polimer jest dobrze wymieszany. dobrze wymieszany. Po znacznie dłuższym czasie splątany łańcuch osiąga stan równowagi. konformację równowagi, stopioną globulę. Odkryliśmy, że fraktalna globula jest wysoce niestabilną konformacją, która istnieje tylko niestabilną konformacją, która istnieje tylko w obecności dodatkowych ograniczeń, takich jak takich jak wiązania krzyżowe. --- Fraktalna kula jest zwartym stanem polimeru, który pojawia się podczas kondensacji polimeru kondensacji w wyniku ograniczeń topologicznych, które uniemożliwiają jednemu regionowi łańcucha łańcucha przed przejściem przez inny. Ten długotrwały stan pośredni został wprowadzony w 1988 roku (Grosberg et al. 1988) i nie był obserwowany w eksperymentach ani symulacjach aż do niedawna. eksperymentach ani symulacjach aż do niedawna (Lieberman-Aiden et al. 2009). Niedawna charakterystyka ludzkiej chromatyny przy użyciu nowej techniki konformacji chromosomów konformacyjnego chromosomu sprawiła, że fraktalna kula znalazła się w centrum uwagi jako strukturalny model ludzkiego chromosomu. strukturalny model ludzkiego chromosomu w skali do 10 Mb (Lieberman-Aiden i in. 2009). Tutaj przedstawiamy koncepcję globuli fraktalnej, porównując ją do do innych stanów polimeru i skupiając się na jej właściwościach istotnych dla biofizyki chromatyny. biofizyki chromatyny. Następnie omawiamy właściwości fraktalnej globuli, które które czynią ją atrakcyjnym modelem organizacji chromatyny wewnątrz komórki. Następnie łączymy fraktalną globulę z ostatnimi badaniami, które podkreślają topologiczne ograniczenia jako główny czynnik napędzający tworzenie terytoriów chromosomalnych. My omawiamy, w jaki sposób przewidywania teoretyczne, dokonane na podstawie modelu fraktalnej globuli mogą być testowane eksperymentalnie. Na koniec omawiamy, czy fraktalna architektura globul może mieć znaczenie dla upakowania chromatyny w innych organizmach, takich jak drożdże i bakterie. --- Trójwymiarowe fałdowanie chromosomów dzieli genom na przedziały oraz i może przynieść odległe elementy funkcjonalne, takie jak promotory i wzmacniacze, do w bliskiej odległości przestrzennej (2-6). Rozszyfrowanie związku między organizacją chromosomów a aktywnością genomu pomoże w zrozumieniu procesów genomowych, takich jak transkrypcja i replikacja. Niewiele jednak wiadomo na temat tego, jak chromosomów. Mikroskopia nie jest w stanie rozróżnić dużej liczby loci jednocześnie lub w wysokiej rozdzielczości. Do tej pory wykrywanie interakcji chromosomalnych interakcji przy użyciu wychwytywania konformacji chromosomów (3C) i jego późniejszych adaptacje wymagały wyboru zestawu docelowych loci, uniemożliwiając badania w całym genomie (7-10). badania niemożliwe (7-10). Opracowaliśmy Hi-C, rozszerzenie 3C, które jest w stanie identyfikacji interakcji dalekiego zasięgu w sposób bezstronny i obejmujący cały genom. W Hi-C, komórki są utrwalane formaldehydem, powodując wiązanie oddziałujących loci ze sobą za pomocą za pomocą kowalencyjnych wiązań krzyżowych DNA-białko. Kiedy DNA jest następnie pofragmentowane enzymem restrykcyjnym, loci te pozostają połączone. A biotynylowana reszta jest włączana, gdy 5' nawisy są wypełnione. Następnie, ligacja tępych końców jest wykonywana w rozcieńczonych warunkach, które sprzyjają ligacji między usieciowanymi fragmentami DNA. Wynikiem jest biblioteka produktów ligacji obejmująca cały genom produktów ligacji, odpowiadających parom fragmentów, które były pierwotnie w bliskiej odległości od siebie w jądrze. Każdy produkt ligacji jest oznaczony biotyną w miejscu połączenia. Biblioteka jest ścinana, a połączenia połączenia są ściągane za pomocą kulek streptawidyny. Oczyszczone połączenia można można następnie analizować za pomocą sekwenatora o wysokiej przepustowości, uzyskując katalog katalog oddziałujących fragmentów. Bezpośrednia analiza powstałej macierzy kontaktów ujawnia liczne cechy organizacji genomowej, takie jak obecność terytoriów chromosomowych i preferencyjne powiązanie małych, bogatych w geny chromosomów. bogatych w geny. Do macierzy kontaktów można zastosować analizę korelacji, wykazując, że ludzki genom jest podzielony na dwa przedziały: mniej mniej gęsto upakowany przedział zawierający otwartą, dostępną i aktywną chromatynę oraz bardziej gęsty przedział zawierający zamkniętą, niedostępną i nieaktywną chromatynę regiony. Wreszcie, analiza macierzy kontaktów w połączeniu z teoretycznymi pochodnymi i symulacjami obliczeniowymi teoretycznymi i symulacjami obliczeniowymi ujawniła, że w skali megabazowej megabazie Hi-C ujawnia cechy zgodne z fraktalną konformacją globuli. konformacją fraktalnej globuli.
Jaka idea stoi za fraktalną kulą, która została zaproponowana jako model konformacji chromatyny w jądrze komórki?
Fraktalna kula jest zwartym stanem polimeru, który pojawia się podczas kondensacji polimeru w wyniku ograniczeń topologicznych, które uniemożliwiają jednemu regionowi łańcucha przejście przez inny. Ten długotrwały stan pośredni został wprowadzony w 1988 roku (Grosberg et al. 1988) i nie był obserwowany w eksperymentach lub symulacjach do niedawna (Lieberman-Aiden et al. 2009). Niedawna charakterystyka ludzkiej chromatyny przy użyciu nowej techniki wychwytywania konformacji chromosomów sprawiła, że fraktalna globula znalazła się w centrum uwagi jako strukturalny model ludzkiego chromosomu w skali do 10 Mb (Lieberman-Aiden i in. 2009). Fraktalna globula, wolna od węzłów konformacja polimeru, która umożliwia maksymalnie gęste upakowanie przy jednoczesnym zachowaniu zdolności do łatwego składania i rozkładania dowolnego locus genomowego, różni się od częściej stosowanego modelu równowagi globularnej i podkreśla ograniczenia topologiczne jako główny czynnik napędzający tworzenie terytoriów chromosomowych.