ゲノム上での高速ターゲット探索のための非平衡戦略

Nonequilibrium Strategy for Fast Target Search on the Genome.

• F Cagnetta
• D Michieletto
• D Marenduzzo

抄録

ゲノム修復などの重要な生物学的プロセスでは、選択されたタンパク質をDNA上の特定の標的部位に迅速かつ効率的に結合させる必要があります。本研究では、DNAに結合したタンパク質が、エピジェネティックマーク（ゲノム上の生化学的なタグ）の密度を上下に変化させる「クロモフォレシス」に基づいたアクティブな標的探索機構を提案しています。本研究では、熱力学的平衡から離れた場所でのみ遭遇する、マークを沈着させて反発させるタンパク質に着目しています。発色タンパク質は、運動パラメータの適切な範囲で無方向運動を行い、ゲノムに沿って最適に再分配される。重要なことは、自己相互作用によって崩壊したゲノムの領域を局所的に解きほぐし、そのコアの奥深くまで"潜る"ことができることであり、このようなアクセスできない基質上での標的探索の効率を飛躍的に向上させることができる。クロモフォレーシスのDNA修復への潜在的な関連性について議論する。

Vital biological processes such as genome repair require fast and efficient binding of selected proteins to specific target sites on DNA. Here we propose an active target search mechanism based on "chromophoresis," the dynamics of DNA-binding proteins up or down gradients in the density of epigenetic marks, or colors (biochemical tags on the genome). We focus on a set of proteins that deposit marks from which they are repelled-a case which is only encountered away from thermodynamic equilibrium. For suitable ranges of kinetic parameter values, chromophoretic proteins can perform undirectional motion and are optimally redistributed along the genome. Importantly, they can also locally unravel a region of the genome which is collapsed due to self-interactions and "dive" deep into its core, for a striking enhancement of the efficiency of target search on such an inaccessible substrate. We discuss the potential relevance of chromophoresis for DNA repair.