Statistical physics models for the regulation of the structure of chromatin

染色质结构调控的统计物理模型

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2015-06150
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.04万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2016-01-01 至 2017-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

My research program applies methods of computational physics to address the question of how physical constraints lead to complex spatial organization in a cell. It is focused on developing data driven models that draw from strong collaborations with experimental biologists. An important physical process in cell biology is the packaging of DNA into the small volume of the cell. DNA is meticulously arranged; the structure of which affects a host of cellular functions. I have two research efforts that address timely unanswered questions about this process. In collaboration with Olivier Cuvier, a chromatin biologist at CNRS Toulouse, we are working on the development of a predictive mechanistic model for how the structuring of DNA in a cell regulates the genetic information that can get read out. In eukaryotic cells, DNA is packaged into a structure known as chromatin. It is a highly looped structure due to interactions between proteins that are bound to the DNA. The appropriate formation of loops determines whether a gene gets turned on or not. Analyzing data from the Cuvier lab, my group was able to uncover a complex network of interactions between proteins known as insulators which regulate DNA looping and gene expression. Using recently developed experimental techniques, the Cuvier lab will map out which parts of the genome are physically in contact, and how mutations to the insulator network can alter the map. My group will fit this data to a statistical physics model to determine the specific contact energies, leading to the development of a polymer based model for how insulators regulate chromatin structure. With a better understanding of the mechanistic processes involved in looping, we hope to be able to make predictions about when and where a gene will be expressed. Our second effort is focused on uncovering simple physical mechanisms that Nature uses to organize its molecular parts within the tiniest of cells, namely bacteria. We have shown that the entropy of the polymer of genomic DNA can drive localization of protein aggregates to the poles. In some bacteria, polar localized proteins interact with and aid the machinery that segregates replicating DNA. This segregation machinery is also dynamically patterned and recent in vitro measurements have given some insight into its mechanism. However, how the both interacting systems pattern the cell robustly during the important process of replication is not well understood. By modeling the coupled system, our hope is to be able to uncover the design principles of these biomolecular machines. The program of research just described will provide trainees with a diverse skill set. Past trainees have pursued careers in computational biology from academia to the industrial research setting. Such researchers are in high demand in Canada’s growing biotech sector.
我的研究项目应用计算物理学方法来解决物理约束如何导致细胞中复杂的空间组织的问题。它专注于开发数据驱动模型,这些模型得益于与实验生物学家的密切合作。 细胞生物学中一个重要的物理过程是将 DNA 包装到小体积的细胞中。 DNA经过精心排列;其结构影响许多细胞功能。我有两项研究工作旨在解决有关此过程的及时未解答的问题。 我们正在与法国国家科学研究中心图卢兹的染色质生物学家 Olivier Cuvier 合作,开发一种预测机制模型,用于了解细胞中 DNA 的结构如何调节可读取的遗传信息。在真核细胞中,DNA 被包装成一种称为染色质的结构。由于与 DNA 结合的蛋白质之间的相互作用,它是一个高度环状的结构。环的适当形成决定了基因是否被打开。通过分析居维叶实验室的数据,我的团队发现了调节 DNA 循环和基因表达的绝缘体蛋白质之间复杂的相互作用网络。使用最近开发的实验技术,居维叶实验室将绘制出基因组的哪些部分在物理上接触,以及绝缘体网络的突变如何改变地图。我的小组将把这些数据拟合到统计物理模型中,以确定特定的接触能量,从而开发出基于聚合物的模型,用于了解绝缘体如何调节染色质结构。通过更好地了解循环所涉及的机械过程,我们希望能够预测基因何时何地表达。 我们的第二项努力集中于揭示大自然用来组织最微小细胞(即细菌)内分子部分的简单物理机制。我们已经证明,基因组 DNA 聚合物的熵可以驱动蛋白质聚集体定位到两极。在一些细菌中,极性定位蛋白与分离复制 DNA 的机制相互作用并为其提供帮助。这种分离机制也是动态模式的,最近的体外测量对其机制给出了一些见解。然而,这两个相互作用的系统如何在重要的复制过程中稳健地模式化细胞尚不清楚。通过对耦合系统进行建模,我们希望能够揭示这些生物分子机器的设计原理。 刚刚描述的研究计划将为学员提供多样化的技能。过去的学员从事从学术界到工业研究环境的计算生物学职业。加拿大不断发展的生物技术领域对此类研究人员的需求量很大。

项目成果

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Emberly, Eldon其他文献

Chromatin immunoprecipitation indirect peaks highlight long-range interactions of insulator proteins and Pol II pausing.
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知道了