Нарушения этих процессов могут приводить к неврологическим и сердечно-сосудистым заболеваниям, а также к развитию рака.

Гены в человеческом геноме движутся по-разному, в зависимости от того, читаются они или нет. Это приводит к сложным движениям, похожим на турбулентность.

Понимание механизмов этих движений может иметь решающее значение для изучения генома человека в условиях здоровья и болезни.

Геном человека содержит два метра ДНК, упакованной в ядре клетки диаметром 10 микрометров. Молекула ДНК хранит информацию для всех клеточных процессов. Гены — это единицы информации, которые считываются в разное время. Процесс, при котором информация гена переписывается в молекулу мРНК, называется транскрипцией.

Ранее было обнаружено, что геном перестраивается и перемещается в ядре.

Учёные предполагают, что молекулярные моторы, работающие на аденозинтрифосфате (АТФ), приводят в движение ДНК и окружающую её жидкость — нуклеоплазму.

Более крупные физические механизмы этого процесса пока не изучены. Зидовска и её коллеги сосредоточились на РНК-полимеразе II — одном из самых распространённых молекулярных двигателей в клеточном ядре. Когда ген активен, этот молекулярный механизм воздействует на ДНК во время её обработки.

Ученые решили выяснить, как один активно транскрибируемый ген влияет на движение генома вокруг него в живых клетках человека.

Авторы использовали технологию CRISPR для маркировки отдельных генов, микроскопию высокого разрешения для визуализации движения этих генов и корреляционную спектроскопию смещения (DCS) для картирования потоков генома по ядру.

Данные визуализации были обработаны с помощью физического и математического анализа. В результате была получена картина перемещения генов внутри клетки.

В своём исследовании учёные изучили движение генов, когда они неактивны, а затем «включили» их и наблюдали за изменением движения.

Учёные также использовали DCS для отслеживания перемещения генома по ядру до и после активации генов. Они выяснили, что активные гены способствуют перемешиванию генома. Анализ показал, что один активный ген управляет движением генома в регионах с низким уровнем уплотнения, но геном с высоким уровнем уплотнения управляет движением генов независимо от их активности.

Открылись новые связи между активностью генов, уплотнением генома и геномными движениями. Это позволило лучше понять пространственно-временную организацию генома, которая влияет на регуляцию и экспрессию генов.

Это исследование также позволяет по-новому взглянуть на активные и живые системы, такие как геном человека, и узнать о них что-то новое с точки зрения физики.

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.