Международная группа учёных из «Сколтеха», Массачусетского технологического университета и других ведущих научных организаций России и США представил физическую модель свёрнутого в петли полимера. Точное аналитическое решение этой модели позволило учёным воспроизвести универсальные особенности упаковки хромосом из экспериментальных данных. Теоретическая работа позволит исследователям понять, как петлевая экструзия влияет на биофизические свойства хромосомы, и определить параметры этих петель. Статья с результатами исследований уже опубликована в журнале Physical Review X, рассказали информационной службе Хабра в пресс‑службе «Сколтеха».
Хромосомы человека представляют собой длинные полимерные цепи, хранящие генетическую информацию. В ядре каждой клетки представлен весь человеческий геном (ДНК), закодированный на 46 хромосомах общей длиной около 2 м. Чтобы разместиться в микроскопическом пространстве ядра клетки и при этом обеспечивать постоянный доступ к генетической информации, хромосомы сворачиваются в ядре специальным, неслучайным, образом.
Фолдинг или сворачивание ДНК — задача на стыке физики полимеров и системной биологии. Несколько лет назад в качестве одного их механизмов компактизации хромосом предложили гипотезу активного выпетливания (экструзии) молекулярными моторами. Несмотря на то что была продемонстрирована способность моторов образовывать петли ДНК, экспериментально пронаблюдать петли в живой клетке технически очень сложно, практически невозможно. На больших и малых масштабах фолдинг хромосомы различается за счёт эффекта разбавления топологических зацеплений, создаваемого петлями. Кирилл Половников
Первый автор работы, старший преподаватель и руководитель исследовательской группы «Сколтеха»
«Экструзия петель моторами, как и многое в биологии, имеет случайный характер: они постоянно образуются и исчезают. Это, в частности, объясняет трудности их экспериментального обнаружения в единичной живой клетке. Мы пошли другим путём: разработали физическую теорию, которая показывает, как случайно распределённые петли на полимере влияли бы на пространственную организацию такого полимера. Далее мы проанализировали экспериментальные данные по пространственной упаковке хромосом, полученные на миллиардах живых клеток, и обнаружили там те же статистические особенности, что и в нашей модели. Подобно тому как астрофизики находят новые экзопланеты по падению светимости родительской звезды при прохождении планеты, наша теория предлагает инструмент обнаружения „следа“ петель в геномных данных. К нашему удивлению, найденные особенности оказались универсальными не только для человека, но и для различных клеток других организмов. По‑видимому, сворачивание в петли является одним из наиболее общих принципов пространственной структуры ДНК».
Результаты учёных позволили определить размер хромосомных петель и их плотность. Кроме того, учёные обнаружили новый топологический эффект, связанный с петлями. При экструзии петель длина остова полимерной цепи уменьшается, при этом он вытягивается в пространстве за счёт «разбавления топологических зацеплений» в полимерной системе. Учёные разработали аналитическую теорию этого эффекта и также подтвердили свои результаты с помощью компьютерных симуляций. Разработанная теория позволяет обнаружить и охарактеризовать петли хромосом в массиве экспериментальных данных, и меняет представление о топологической организации хромосом в живой клетке.
Источник новости: habr.com
