|
Хаотическое движение хромосом объяснили
|
|
|
|
Исследователи из Сколтеха, Потсдамского университета и Массачусетского технологического института открыли фундаментальный физический закон, который управляет кажущимся хаотичным движением хромосом внутри живой клетки. Это открытие помогает разгадать давнюю биологическую тайну о том, как двухметровые молекулы ДНК, упакованные в плотные хромосомы, остаются достаточно подвижными для таких жизненно важных процессов, как включение и выключение генов. Результаты были опубликованы в исследовательском журнале Physical Review.
|
|
|
|
Долгое время существовало противоречие: с одной стороны, эксперименты по анализу всего генома показали, что хромосома в клеточном ядре упакована не в рыхлый клубок, а в плотную "фрактальную глобулу" - компактную и практически неподвижную структуру.
|
|
|
|
С другой стороны, непосредственные наблюдения за живыми клетками показали, что отдельные участки хромосом движутся активно и быстро. Ученые не могли объяснить, как такая плотная глобула может быть настолько динамичной и способствовать быстрой и эффективной регуляции генов.
|
|
|
|
"Мы разработали статистическую физическую модель, которая показывает, что движение участков хромосом, представляющих собой длинные полимерные цепочки, подчиняется универсальному физическому закону, не зависящему от мельчайших деталей их структуры", - прокомментировал ведущий автор исследования Кирилл Половников, доцент Нейроцентра Сколтеха.
|
|
|
|
|
|
|
"Ключ к решению лежит в рассмотрении не точечного, а коллективного движения целых сегментов ДНК. Оказывается, способность гена в хромосоме смещаться в целом (т.е. коэффициент диффузии его центра масс) обратно пропорциональна количеству букв в его нуклеотидной последовательности.
|
|
|
|
"Это универсальный принцип полимерных цепей, действующий как в условиях термодинамического равновесия, так и в условиях клеточной активности, и фундаментально связанный с третьим законом Ньютона".
|
|
|
|
Анализируя два маркера на хромосоме одновременно, авторы смогли выделить сигнал, соответствующий именно коллективному движению. Расчеты показали, что коллективная динамика хромосом в клетке не так быстра, как кажется при наблюдении за отдельными точками.
|
|
|
|
Извлеченный параметр, характеризующий эту коллективную подвижность, составил 0,77, что ниже, чем предсказывала простейшая модель, и соответствует теориям, рассматривающим хромосому как компактный полимер с топологическими ограничениями — это означает, что нити ДНК не могут свободно проходить друг сквозь друга, сплетаясь в сложную глобулу.
|
|
|
|
Ученым удалось разрешить очевидное противоречие. Хромосома действительно представляет собой плотно упакованную глобулу, но в течение коротких геномных последовательностей и временных интервалов ее сегменты могут вести себя динамично, пока не столкнутся с топологическими ограничениями своей собственной сложной структуры.
|
|
|
|
Модель также предсказывает, что при резком изменении термодинамических условий, как это происходит при переходах между фазами клеточного цикла (в том числе перед делением клетки), между сегментами полимерных цепей возникают долгосрочные корреляции, которые распадаются в соответствии с тем же универсальным законом. Этот эффект, предсказанный теоретически и подтвержденный компьютерным моделированием, является признаком того, что система выходит из равновесия, и еще раз подтверждает роль коллективного движения в динамике хромосом.
|
|
|
|
"Теперь, экспериментально отслеживая всего две контрольные точки на участке хромосомы (например, на гене), мы можем получить информацию о его коллективной динамике и сложной трехмерной структуре гена в целом. Это не только углубляет наше понимание фундаментальных принципов организации генома, но и раскрывает универсальные физические законы, управляющие поведением различных полимерных систем в условиях, далеких от равновесия", - добавил Половников.
|
|
|
|
Источник
|
