|
Как петли влияют на пространственную организацию генома
|
|
|
|
Хромосомы человека представляют собой длинные полимерные цепи, хранящие генетическую информацию. Ядро каждой клетки содержит весь геном человека (ДНК), закодированный в 46 хромосомах общей длиной около 2 метров. Чтобы вписаться в ядро микроскопической клетки и в то же время обеспечить постоянный доступ к генетической информации, хромосомы сворачиваются в ядре особым, заданным образом. Сворачивание ДНК — актуальная задача на стыке физики полимеров и системной биологии. Несколько лет назад в качестве одного из механизмов сворачивания хромосом исследователи выдвинули гипотезу активного вытеснения петель на хромосомах молекулярными моторами. Хотя способность моторов выдавливать ДНК in vitro была продемонстрирована, экспериментальное наблюдение петель в живой клетке является технически очень сложной, почти невыполнимой задачей. Команда ученых из Сколтеха, Массачусетского технологического института и других ведущих научных организаций России и США представила физическую модель свернутого в петли полимера. Аналитическое решение этой модели позволило ученым на основе экспериментальных данных воспроизвести универсальные особенности упаковки хромосом — на изображении показана производная кривая пик-падение вероятности контакта.
|
|
|
Теоретическая работа позволит исследователям понять, как экструзия петель влияет на биофизические свойства хромосомы, и извлечь параметры этих петель из экспериментальных данных. Статья опубликована в Physical Review X. «Выдавливание петель моторами, как это часто бывает в биологии, носит случайный характер — они постоянно образуются и исчезают. Это, в частности, объясняет, почему их экспериментальное обнаружение в одной живой клетке так сложно. Мы выбрали другой подход. "Мы разработали физическую теорию, которая показывает, как случайно распределенные петли на полимере будут влиять на пространственную организацию полимера. Далее мы проанализировали экспериментальные данные о пространственной упаковке хромосом, полученные на миллиардах живых клеток, и обнаружили там те же статистические особенности", - сказал он. — говорит Кирилл Половников, ведущий автор исследования, доцент и руководитель исследовательской группы Сколтеха.
|
|
|
|
Разработанная теория позволила определить типичный размер хромосомных петель и их плотность. Кроме того, авторы обнаружили новый топологический эффект, связанный с петлями. При выдавливании петель основная цепь цепи укорачивается, однако растягивается в трехмерном пространстве за счет так называемого эффекта «разбавления переплетений» в полимерной системе. Ученые разработали аналитическую модель этого эффекта, а также подтвердили свои результаты в компьютерном моделировании. Теория помогает идентифицировать и охарактеризовать хромосомные петли, используя экспериментальные данные, и меняет наше представление о топологической организации хромосом в живой клетке. «Подобно тому, как астрофизики находят новые экзопланеты по уменьшению светимости родительской звезды во время прохождения планеты, наша теория предлагает инструмент для обнаружения «следов» петель в геномных данных. Удивительно, но выявленные характеристики оказываются быть универсальным не только для человека, но и для клеток других организмов. По-видимому, сворачивание хромосом в петли — один из наиболее общих принципов пространственной организации ДНК", — добавляет Половников.
|
|
|
|
Источник
|
