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物理学 > 生物物理

arXiv:2501.10004v1 (physics)
[提交于 2025年1月17日 (此版本) , 最新版本 2025年6月22日 (v3) ]

标题: 静态三维结构在间期染色体远端位点对之间的快速动力学中起决定性作用

标题: Static Three-Dimensional Structures Determine Fast Dynamics Between Distal Loci Pairs in Interphase Chromosomes

Authors:Guang Shi, Sucheol Shin, D. Thirumalai
摘要: 活细胞成像实验表明,尽管真核染色体是紧凑的,增强子和启动子之间的远端动力学异常迅速,无法用标准聚合物模型来解释。 紧密的静态染色质组织与弛豫时间之间的不一致是一个谜题,违反了预期的结构-功能关系。 为了解决这个谜题,我们开发了一种理论,通过首先使用静态Hi-C接触图或固定细胞成像数据计算精确的三维(3D)结构来预测染色质动力学。 计算得到的三维坐标被用来准确预测最近实验中报告的两点动力学,这些实验同时监测染色质动力学和转录。 值得注意的是,该理论不仅预测了观察到的快速增强子-启动子动力学,还揭示了两点弛豫时间和基因组分离之间的新型亚扩散标度关系,与最近的实验结果在定量上接近,但与基于分形球体模型的预期明显不同,而分形球体模型是染色体全局组织的良好描述。 作为副产品,我们预测着丝粒蛋白耗竭会加速远端位点之间的动力学。 我们的框架表明,仅基于静态实验数据就可以预测染色质动力学,加强了三维结构决定其动态行为的概念。 该理论的普遍性为探索不同物种中的染色质动力学,特别是转录动力学开辟了新的途径。
摘要: Live cell imaging experiments have shown that, although eukaryotic chromosome is compact, the distal dynamics between enhancers and promoters are unusually rapid and cannot be explained by standard polymer models. The discordance between the compact static chromatin organization and the relaxation times is a conundrum that violates the expected structure-function relationship. To resolve the puzzle, we developed a theory to predict chromatin dynamics by first calculating the precise three-dimensional (3D) structure using static Hi-C contact maps or fixed-cell imaging data. The calculated 3D coordinates are used to accurately forecast the two-point dynamics reported in recent experiments that simultaneously monitor chromatin dynamics and transcription. Strikingly, the theory not only predicts the observed fast enhancer-promoter dynamics but also reveals a novel subdiffusive scaling relationship between two-point relaxation time and genomic separation, in near quantitative agreement with recent experiments but diverging sharply from the expectations based on fractal globule models that are good descriptors of global organization of chromosomes. As a by product, we predict that cohesin depletion speeds up the dynamics between distal loci. Our framework shows that chromatin dynamics can be predicted based solely on static experimental data, reinforcing the concept that the three-dimensional structure determines their dynamic behavior. The generality of the theory opens new avenues for exploring chromatin dynamics, especially transcriptional dynamics, across diverse species.
主题: 生物物理 (physics.bio-ph) ; 生物大分子 (q-bio.BM); 基因组学 (q-bio.GN)
引用方式: arXiv:2501.10004 [physics.bio-ph]
  (或者 arXiv:2501.10004v1 [physics.bio-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.10004
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Guang Shi [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 1 月 17 日 07:39:26 UTC (13,145 KB)
[v2] 星期日, 2025 年 2 月 9 日 16:20:44 UTC (12,680 KB)
[v3] 星期日, 2025 年 6 月 22 日 03:49:28 UTC (2,699 KB)
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