Investigating the Three-Dimensional Architecture of Genomes by Polymer Physics

La struttura tridimensionale del genoma è fondamentale per comprendere le funzioni biologiche cellulari. La ricerca ha rivelato che i cromosomi nelle cellule eucariotiche non sono disposti casualmente, ma seguono un'organizzazione spaziale precisa. Tecniche come la Chromosome Conformation Capture (3C) hanno permesso di misurare le interazioni tra regioni genomiche, rivelando una struttura complessa e non casuale. Queste interazioni avvengono a diverse scale di lunghezza genomica, formando domini associati topologicamente (TADs) che sono conservati tra specie e tipi cellulari. La comprensione di questa architettura è cruciale, poiché la sua alterazione può influenzare l'attività genica e, di conseguenza, il fenotipo. La ricerca si colloca all'intersezione tra fisica e biologia, utilizzando modelli della fisica dei polimeri per interpretare i dati di contatto genomico.

La organizzazione tridimensionale del genoma è caratterizzata da domini auto-interagenti, noti come TADs, che svolgono un ruolo cruciale nella regolazione genica. Questi domini, lunghi circa 0.5-1 Mb, interagiscono tra loro formando una gerarchia di domini, chiamata meta-TADs. La posizione preferita dei cromosomi nel nucleo dipende dal tipo cellulare e dall'attività trascrizionale. La ricerca ha dimostrato che la formazione di loop fisici tra regioni regolatorie e geni target è essenziale per il controllo dell'attività genica. La comprensione di queste interazioni è fondamentale per spiegare come le variazioni strutturali possano influenzare l'architettura della cromatina e, di conseguenza, la funzionalità cellulare.

I modelli di fisica dei polimeri sono stati introdotti per interpretare i dati di contatto genomico e spiegare i principi che governano la struttura tridimensionale dei cromosomi. Il modello String & Binders Switch (SBS) è uno dei principali approcci utilizzati per simulare l'organizzazione del genoma. Attraverso simulazioni di dinamica molecolare, è possibile analizzare le interazioni tra le regioni genomiche e prevedere il comportamento della cromatina. Questi modelli non solo forniscono una comprensione quantitativa delle interazioni genomiche, ma possono anche essere utilizzati per prevedere gli effetti delle varianti strutturali sull'architettura della cromatina, contribuendo così a una migliore comprensione delle malattie genetiche.

La ricerca sull'architettura tridimensionale del genoma ha importanti implicazioni pratiche. Comprendere come le interazioni tra le regioni genomiche influenzano l'espressione genica può portare a nuove strategie terapeutiche per malattie genetiche e cancro. L'uso di modelli fisici per prevedere l'impatto delle varianti strutturali offre un approccio innovativo per la ricerca biomedica. La combinazione di tecniche sperimentali e modelli teorici rappresenta un passo avanti significativo nella biologia moderna, aprendo nuove strade per la comprensione della complessità del genoma e delle sue funzioni.