Local Volume Concentration, Packing Domains and Scaling Properties of Chromatin
提出SR-EV模型,用随机返回与排除体积规则刻画染色质多尺度组织,理论结果在体积浓度、接触概率、堆积域及标度行为上与实验吻合。
2024-06-13 physics.bio-ph physics.comp-ph
A Brownian dynamics study of liquid-liquid phase separation in multi-scale chromatin networks
Sorbonne Université(索邦大学);CNRS(法国国家科学研究中心)
研究通过布朗运动模拟探讨染色质纤维环境对相分离凝聚体形态和空间组织的影响,揭示多尺度结构异质性如何调控生物分子凝聚体的形成与组织。
2026-05-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Different relative scalings between transient forces and thermal fluctuations tune regimes of chromatin organization
本文通过数学摄动分析研究凝缩蛋白瞬态交联力与热涨落的相对标度,预测并解释了染色质簇的刚性、柔性和无簇三种动力学状态及其时间尺度依赖性。
2024-06-28 math.PR physics.bio-ph
3D polymer simulations of genome organization and transcription across different chromosomes and cell types
本文利用扩散转录因子模型模拟染色质构象与转录,发现可通过结构特性或转录因子数量调控转录活性,并在不同细胞系中验证了模型预测的可靠性。
2022-11-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Bridging spatial and temporal scales of developmental gene regulation
本综述探讨了发育过程中基因调控跨空间与时间尺度的信息流动,强调利用聚合物物理学连接染色质局部转录事件与全局表达模式,以阐明多细胞生物发育的协调机制。
2025-01-28 physics.bio-ph q-bio.MN
Nucleosome sliding can influence the spreading of histone modifications
核小体是染色质的基本组成部分,它不仅有助于染色质的折叠,而且还携带表观遗传信息。已知核小体滑动负责动态组织染色质结构和由此产生的基因调控。既然滑动可以使两个相邻的核小体物理上靠近或远离,那么它是否可以在组蛋白修饰的扩散中发挥作用?我们通过模拟一个随机模型来研究这一点,该模型将核小体动力学与组蛋白修饰的动力学相结合。我们表明,核小体的滑动可以影响修改模式以及修改染色质的给定区域所需的时间。探索不同的核小体密度和修饰动力学参数,我们表明,核小体滑动可以是重要的创建组蛋白修饰域。我们的模型预测,核小体密度加上滑动动力学可以创建一个不对称的组蛋白修饰的调控区域周围的配置文件。我们还计算了修饰的核小体的概率分布和修饰的弛豫动力学。我们的预测与已知的实验结果是可比的。
2021-10-12 physics.bio-ph
Epigenetic state encodes locus-specific chromatin mechanics
The University of Texas at Austin(德克萨斯大学奥斯汀分校)
研究揭示染色质粘弹性由三维基因组结构和表观遗传状态共同决定,提出位点特异性机械特性影响基因调控与细胞机械响应。
2025-12-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Chromatin and cytoskeletal tethering determine nuclear morphology in progerin expressing cells
真核细胞的核形态是由构成核骨架的纤层、核内染色质以及与细胞骨架的偶联之间的相互作用决定的。核改变通常与病理状况相关,如在Hutchinson-Gilford早衰综合征(HGPS)中,其中核纤层蛋白A基因中的突变产生被称为早老蛋白的蛋白质的改变形式和异常的核形状。在这里,我们介绍了一种诱导型细胞模型的HGPS在HeLa细胞中,早老蛋白的表达增加导致改变的核纤层蛋白壳与细胞骨架/染色质系链以及与Polycomb组(PcG)蛋白的耦合。此外,我们的实验表明,早老蛋白的表达导致增强核形状的波动,响应于细胞骨架活性。为了解释实验结果,我们引入了一个计算模型的细胞核,其中明确包括染色质纤维,核壳和耦合与细胞骨架。该模型使我们能够调查的几何组织的染色质-核纤层蛋白系链影响核形态和形状波动。总之,我们的研究结果强调了核纤层染色质和核纤层细胞骨架的改变在决定核形态和影响细胞功能和基因调控中所起的关键作用。
2020-04-16 physics.bio-ph q-bio.CB
CTCF-mediated transcriptional regulation through cell type-specific chromosome organization in the β-globin locus
尽管染色质在哺乳动物基因调控中具有潜在的作用,但其在活细胞核小体水平之外的结构景观的基本原理仍然很不清楚。我们研究了包含β-珠蛋白基因的人类11号染色体1 Mbp区域的三维折叠,通过将由染色体构象捕获(3C)全面确定的绝缘子蛋白CTCF的成环相互作用整合到染色质的聚合物模型中。我们发现在红系细胞中CTCF介导的细胞类型特异性相互作用被组织成有利于已知在体内发生在β-珠蛋白基因座控制区(LCR)和基因之间的接触。在这些细胞中,模拟的β-珠蛋白结构域折叠成球状,LCR和活性珠蛋白基因位于外周。相比之下,在非红系细胞中,小球不太紧凑,很少但占主导地位的CTCF相互作用驱动基因远离LCR。这导致接触频率的降低,根据染色质的硬度和基因的精确定位,接触频率可以超过1000倍。我们的研究结果表明,CTCF接触的合奏功能影响控制元件和靶基因之间的空间距离,有助于转录所需的染色体组织。
2012-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Differential Crosslinking and Contractile Motors Drive Nuclear Chromatin Compaction
该研究构建拴系于可变形核纤层壳的主动交联聚合物模型,揭示边缘略高的径向交联差异与收缩马达协同驱动基因组分离、异染色质周边压缩及核硬化。
2025-07-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Extrusion of chromatin loops by a composite loop extrusion factor
染色体结构维持复合体(SMC)的染色质环挤出被认为是细胞内中等规模染色质组织的基础。出于一些实验表明,核小体可能会阻止环挤压SMC,如凝聚素和凝聚素复合物,我们介绍和理论上的复合环挤压因子(复合LEF)模型的特点。除了通过环绕两条DNA线产生染色质环的SMC复合物之外,该模型还包括重塑复合物,其在沿着染色质前进时重新定位或去除核小体,以及阻止SMC沿着DNA易位的核小体。环挤出是由SMC运动沿着无核小体的DNA,在重塑复合物的唤醒中创建,而核小体重新结合在SMC后面作为棘轮,保持SMC接近重塑复合物。我们发现,对于广泛的参数值,这一系列的因素构成了一个复合LEF,挤出循环的速度,相当于染色质上的SMC的情况下,重塑复杂的易位的速度,比环挤出由一个孤立的SMC,被核小体阻断。
2021-03-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Spatio-temporal patterns of active epigenetic turnover
Max-Planck-Institute for the Physics of Complex Systems(马克斯·普朗克复杂系统物理研究所);Ludwig-Maximilians-Universität München(慕尼黑路德维希-马克西米利安大学);Institute of Science and Technology Austria(奥地利科学技术研究院);Harvard University(哈佛大学)
该研究通过染色质耦合生化循环揭示DNA甲基化周转的时空模式,揭示其在细胞分化调控中的作用。
2025-05-19 physics.bio-ph
Chromatin Laser Imaging Reveals Abnormal Nuclear Changes for Early Cancer Detection
我们开发并应用快速扫描激光发射显微镜来检测细胞核的异常变化,用于癌症和癌症前兆的早期诊断。染色质的调节对遗传发育和正常细胞功能至关重要,而异常的核变化可能导致许多疾病,特别是癌症。在比肿瘤发展更早的阶段检测明显正常组织中的异常变化的能力对于癌症预防至关重要。在这里,我们报告使用LEM分析结肠癌的风险小鼠的结肠组织通过检测前息肉核异常。通过对染色质的激光发射进行成像,我们发现,尽管在立体镜下没有可观察到的病变、息肉或肿瘤,但高脂肪小鼠的激光阈值明显低于低脂肪小鼠。事实上,低激光阈值与腺瘤非常相似,是由异常细胞增殖和染色质失调引起的,可能导致癌症。我们的研究结果表明,传统的方法,如结肠镜检查,可能不足以揭示隐藏或早期肿瘤的发展。我们设想,这项工作将提供新的见解LEM的早期肿瘤检测在临床诊断和基础生物学和生物医学研究的染色质变化在生物分子水平的癌症发展。
2018-07-19 physics.bio-ph physics.optics q-bio.QM
Living Tissue Self-Regulation as a Self-Organization Phenomenon
活组织的自我调节作为生物、生态和社会性质的等级系统中的自组织现象的一个例子正在考虑之中。这些系统的特点是没有任何管理中心,因此,它们的自我调节是基于所有元素的合作互动。这项工作发展了一个数学理论的血管网络响应局部影响的规模个别单位的外周循环。
2009-11-26 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.TO
Static Three-Dimensional Structures Determine Fast Dynamics Between Distal Loci Pairs in Interphase Chromosomes
本研究提出一种理论,从静态Hi-C或固定细胞成像数据推断三维结构,准确预测染色质快速动力学,揭示弛豫时间与基因组距离的标度关系,并证明3D结构决定动态行为。
2025-06-22 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
Length Regulation Drives Self-Organization in Filament-Motor Mixtures
细胞骨架网络形成复杂的细胞内结构。在这里,我们研究了一个极小模型,其中电机作为解聚酶,从而调节灯丝长度的混合物。结合基于代理的模拟和流体动力学方程,我们表明,资源有限的长度调节驱动细丝簇的形成,尽管没有机械细丝之间的相互作用。即使个体的取向保持固定,集体的细丝取向出现在簇中,与它们的界面正交对齐。
2021-09-10 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
The entropic lock and key of the histone code
DNA和组蛋白上复杂的化学修饰模式,即“组蛋白密码”,被认为是关键的基因调控因素。多价被许多人视为通过多结构域效应蛋白和染色质相关复合物将“编码”信息传递到转录机制的重要工具。然而,随着多价组蛋白参与的例子越来越多,一个明显的矛盾正在出现。分离的效应结构域是明显弱的结合物,因此经常断言,定向多个结构域的熵成本可以通过刚性系链“预付”。与此同时,有证据表明,系绳在很大程度上是无序的,几乎没有刚性。在这里,我们考虑了一种机制,以“预付”的熵成本的结合,而不是通过刚性的系链,但通过仔细的染色质上的修饰的间距。一个全原子的分子动力学研究最充分的特点多价染色质效应符合最佳的自由能支出的条件,如预测的模型在这里讨论。
2013-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
ChromRec: Self-Assembly of Nucleosomes Driven by Directional Recognition
ChromRec通过方向性识别驱动核小体自组装,提供了一种模块化、超粗粒的框架,能够协调生物特异性和物理相互作用,支持可调分辨率以研究染色质重排。
2025-12-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Sub-cellular mRNA localization modulates the regulation of gene expression by small RNAs in bacteria
小的非编码RNA可以对细菌中的基因表达发挥重要的调控作用。近年来,通过sRNA理解细菌基因表达已经取得了实质性进展。然而,最近的研究结果表明,家族的mRNA显示出非平凡的亚细胞分布提出了一个问题,如何定位可能会影响调节活性的sRNA。在这里,我们在一个简单的数学模型中解决这个问题。我们发现,mRNA的非均匀空间分布可以改变阈值线性响应,其特征在于sRNA的化学计量作用,并调节由相同sRNA共同调节的靶标之间的层次结构。我们还确定了sRNA途径中辅因子的亚细胞组织可以诱导sRNA靶点空间异质性的条件。我们的研究结果表明,在某些条件下,解释和建模的自然和合成基因调控电路需要考虑到参与基因的转录本的空间组织。
2017-03-24 physics.bio-ph
A maximum-entropy model to predict 3D structural ensembles of chromatins from pairwise distances: Applications to Interphase Chromosomes and Structural Variants
如果三维(3D)结构是已知的,那么管理基因组组织的原则就可以被破译,而这些原则是更深入地了解染色体如何在真核细胞中包装和发挥作用所必需的。最近,单细胞成像实验已经确定了染色体中许多基因座的3D坐标。在这里,我们介绍了一种计算方法(距离矩阵包围的结构,DIMES),基于最大熵原理,与实验成对的基因座之间的距离作为约束,以产生一个独特的合奏的3D染色质结构。利用结构系综,我们定量地计算了两两距离的分布、三体共定位和高阶相互作用。我们证明了DIMES方法可以应用于小的长度尺度和染色体尺度的成像数据,以量化各种长度尺度上的形状的异质性和波动的程度。我们开发了一种扰动方法,结合DIMES来预测结构变化的三维结构的变化。我们的方法还揭示了从Hi-C推断的3D结构与成像实验中测量的3D结构之间的定量差异。最后,从DIMES提取的参数的物理解释提供了洞察常染色质和异染色质结构域之间的相分离的起源。
2022-11-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The effect of loops on the mean square displacement of Rouse-model chromatin
针对经典Rouse模型无法解释含环染色质动力学的问题,提出纳入环挤出构型的扩展Rouse模型,发现环会抑制染色质基因座平均MSD并降低拉伸指数,与实验结果一致。
2023-04-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Footprints of loop extrusion in statistics of intra-chromosomal distances: an analytically solvable model
主动环挤出-由于DNA结合蛋白复合物的运动活性而形成动态生长的染色质环的过程-是负责真核生物和细菌细胞周期不同阶段的染色质空间组织的牢固建立的机制。环挤出的实验测量的染色质构象的统计学的效果的理论见解,可以得到一个适当选择的聚合物模型。在这里,我们考虑最简单的分析可解模型的间期染色体被视为理想链与足够稀疏的随机环的构象从平衡系综采样的混乱。这个框架使我们能够达到封闭形式的分析表达式的基因组位点对之间的均方距离,这是有效的,超出了一个循环近似的图形表示。此外,我们还通过计算两两分离向量的概率密度的峰度,分析了环诱导的链构象偏离高斯统计。所提出的结果表明,可能的方式估计的循环挤压过程的特征的基础上的实验数据的尺度依赖的统计染色体内成对距离。
2023-01-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mechanical Heterogeneity and the Nuclear Mechanome: Towards an Omics-Level Understanding of Nuclear Function
Grupo de Biofísica Computacional, Instituto de Investigaciones Biosanitarias, Universidad Francisco de Vitoria(计算生物物理组,生物医学研究所,弗朗西斯科·德·维多利亚大学)
本文提出核机械组的概念,通过整合实验和理论方法,揭示核内机械异质性对基因组调控及疾病发展的影响,并探索机械表型技术与多组学研究的结合。
2025-12-17 physics.bio-ph
A unified-field theory of genome organization and gene regulation
提出基于三维空间接近度的泛基因组模型,解释基因调控的简单性与复杂性,并通过聚合物模拟和单变量公式预测人类细胞启动子活性。
2024-12-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Transcription-driven genome organization: a model for chromosome structure and the regulation of gene expression tested through simulations
目前的人类基因组折叠模型看到了一个层次结构,从染色体区域,通过A/B区室和TAD(拓扑关联结构域),到由粘着蛋白和CTCF稳定的接触结构域。然而,这种折叠的分子机制以及折叠影响转录活性的方式仍然不清楚。在这里,我们回顾了物理原理驱动蛋白质绑定到长聚合物成簇环包围,并提出了一个简约而全面的模型的方式组织决定功能。我们认为,集群的活性RNA聚合酶和它们的转录因子是主要的建筑特征,然后,接触域,TADs,和车厢只是反映一个或多个环和集群。我们建议将一个基因拴在一个包含适当因子的簇附近-一个转录工厂-增加了发射频率,并为目前许多关于增强子,超级增强子,边界和eQTL(表达数量性状基因座)的作用的难题提供了解决方案。因此,任何基因的活性都直接受到3D空间中其周围其他转录单位活性的影响,这得到了转录因子与长聚合物上同源位点结合的布朗动力学模拟的支持。
2020-10-01 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.GN
Random motility regulation as a generic mechanism of community formation
University of Geneva(日内瓦大学);Université Paris Cité(巴黎西岱大学);Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院)
研究微生物生态系统中运动调节作用,通过模拟“跑-停”细菌微观模型,发现微弱随机运动调节可诱导细菌混合物形成复杂组织,用随机矩阵理论分析并验证,强调在实验中表征其作用的必要性。
2026-07-14 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Towards a robust algorithm to determine topological domains from colocalization data
理解基因组的复杂空间组织的最重要的任务之一在于从现有的实验数据,特别是从基因组共定位(Hi-C)矩阵中提取关于这种空间组织、染色质拓扑结构域的功能和结构的信息。在这里,我们提出了一个算法,允许揭示底层的层次结构域结构的聚合物构象分析的模块化共定位矩阵。我们还测试了几个模型的聚合物结构:平衡球,随机分形球和规则的分形(皮亚诺)构象的算法。我们定义了我们所谓的簇边界的光谱,并表明,这些光谱的行为显着不同的平衡和分形构象,使我们能够提出一个额外的标准来识别分形聚合物构象。
2016-01-06 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.GN
Extrusion without a motor: a new take on the loop extrusion model of genome organization
染色质环挤出是CTCF环和拓扑结构域形成的流行模型。最近的HiC数据显示了强烈的偏向,有利于稳定环的CTCF结合基序的特定排列,并且挤出是迄今为止唯一可以解释这一点的模型。然而,该模型需要一个马达来产生环,尽管粘附素是挤压因子的有力候选者,但尚未找到合适的马达蛋白(或粘附素本身的马达活性)。在这里,我们探索一个新的假设:没有马达,核内的热运动驱动挤压。使用理论建模和计算机模拟,我们问这样的扩散挤出是否可以可行地产生循环。我们的模拟揭示了一种有趣的棘轮效应(渗透压促进环的生长),并通过与最近的体外和体内测量结果进行比较,表明扩散挤出原则上可以产生数据中观察到的尺寸的环。额外的观点:C。A. Brackley,J. Johnson,D. Cheleletto,A. N.莫罗佐夫,M。Nicodemi,P. R. Cook和D. Marenduzzo“Non-equilibrium chromosome looping via molecular slip-links”,Physical Review Letters 119,138101(2017)
2020-10-06 physics.bio-ph q-bio.SC
Simulating topological domains in human chromosomes with a fitting-free model
我们讨论了人类染色体的三维组织的聚合物模型。染色体由一串珠子表示,每个珠子根据1D生物信息学数据(例如,染色质状态、组蛋白修饰、GC含量)。单个球体(代表二价和多价转录因子)可以可逆地和选择性地结合到具有适当颜色的珠子上。在分子动力学模拟中,因子结合,弦自发地折叠成环、环和拓扑关联域(TADs)。这种组织在远距离DNA片段之间或转录因子之间没有任何特定的相互作用的情况下发生。与Hi-C数据的比较表明,模拟正确地预测了大多数TADs之间的边界位置。该模型是“无拟合”的,因为它不使用Hi-C数据作为输入;因此,其优势之一是,在缺乏现有Hi-C数据的情况下,它原则上可以用于预测给定生物体或细胞系中任何感兴趣区域或整个染色体的3D组织。我们讨论了如何改进这个简单的模型,以包括更多的转录因子和结合位点,并正确预测收敛CTCF结合位点之间的接触。
2020-10-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Multifractal Scaling in Hi-C Maps
Umeå University(于默奥大学);Sungkyunkwan University(成均馆大学);University of Vienna(维也纳大学)
本文证明 Hi-C 图谱的多重分形结构直接源于幂律接触概率 P(s),并解析推导了质量指数 τ(q),揭示了其与聚合物接触统计的普适联系。
2026-07-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Cellular organization in lab-evolved and extant multicellular species obeys a maximum entropy law
多细胞生物的流行部分是由于它们形成复杂结构的能力。细胞如何在这些结构中包装是一个基本的生物物理问题,是它们功能特性的基础。然而,关于细胞堆积几何形状如何产生,以及它们如何受到生长过程中随机噪声的影响-特别是缺乏发育程序-仍然有很多未知数。在这里,我们量化的两个不同的多细胞真核生物的细胞邻域的统计数据:实验室进化的“雪花”酵母和绿色的酵母$Volvox~carteri$。我们发现,尽管在细胞组织中存在很大差异,但与两种生物体中的单个细胞相关的自由空间非常适合修改后的伽马分布,与最初为颗粒状材料开发的最大熵预测一致。这种“熵”的细胞包装确保了一定程度的可预测性,尽管噪音,促进父母后代的忠诚,即使在没有发育调节。再加上不同的生长形态的模拟,这些结果表明,伽马分布的细胞邻域大小是多细胞的一个一般特征,从保守的统计细胞包装。
2021-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.PE
Contact statistics highlight distinct organizing principles of proteins and RNA
虽然RNA和蛋白质都具有密集的天然结构,但这两种生物聚合物的链组织是根本不同的。最近发现染色质折叠,间期染色体的领土组织的签名指向亚稳定性的动机,我们分析了蛋白质数据库中存放的生物分子结构,发现链内接触概率,$P(s)$作为弧长$s$的函数,在$s$,$10\lesssim s\lesssim 110$的中间范围内的幂律$\sim s^{-γ}$衰减。我们发现,接触概率标度指数为$γ\approx 1.11$的大RNA($N>110$),$γ\approx 1.41$的小尺寸RNA($N<110$),和$γ\approx 1.65$的蛋白质。考虑到高斯统计预期在聚合物熔体中完全平衡的链,在天然状态下大RNA的子链的$γ$值与$γ=1.5$的偏差表明RNA的链构型没有完全平衡。视觉上清楚的是,大尺寸RNA($N\gtrsim 110$)的折叠结构采用褶皱结构,被划分成由沿着链的近端序列组装的模块化多结构域,而折叠蛋白质的多肽链看起来更好地与结构的其余部分混合。我们对大RNA的$γ\approx 1$的发现可能是折叠过程中二级到三级元件的等级排序的必然结果。
2016-04-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM