Долгое время существовало противоречие: с одной стороны, эксперименты полногеномного анализа показывали, что хромосома в клеточном ядре упакована не в рыхлый моток, а в плотную «фрактальную глобулу» — компактную и малоподвижную структуру. С другой стороны, прямые наблюдения за живыми клетками демонстрировали, что отдельные участки хромосом активно и быстро движутся. Объяснить, как плотный клубок может быть таким динамичным и способствовать быстрой и эффективной регуляции генов, у учёных не получалось.
«Мы разработали статфизическую модель, которая показывает, что движение участков хромосом как длинных полимерных цепей подчиняется универсальному физическому закону, не зависящему от мельчайших деталей их строения. Ключ к разгадке лежит в рассмотрении не точечного, а коллективного движения целых сегментов ДНК. Оказалось, что способность гена на хромосоме смещаться как единое целое (т.е. коэффициент диффузии центра тяжести) обратно пропорциональна числу букв в его нуклеотидной последовательности. Это универсальный принцип полимерных цепей, выполняющийся как в термодинамическом равновесии, так и в условиях активности клетки, и фундаментально связанный с третьим законом Ньютона», — прокомментировал работу первый автор работы Кирилл Половников, старший преподаватель Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана Сколтеха.
Проанализировав одновременно две метки на хромосоме, авторы работы смогли выделить сигнал, отвечающий именно за коллективное движение. Расчеты показали, что коллективная динамика хромосом в клетке не такая быстрая, как кажется на первый взгляд при наблюдении за отдельными точками. Извлеченный параметр, характеризующий эту коллективную подвижность, оказался равен 0.77, что меньше, чем предсказывает самая простая модель, и соответствует теориям, рассматривающим хромосому как фрактальный полимер с топологическими ограничениями — то есть, где нити ДНК не могут свободно проходить друг сквозь друга, запутываясь в сложный клубок.
Учёным удалось решить кажущееся противоречие. Хромосома действительно является плотно упакованным клубком, но для коротких геномных последовательностей и временных промежутков её сегменты могут вести себя подвижно, пока не упираются в топологические ограничения своей же сложной структуры. Модель также предсказывает, что если резко изменить термодинамические условия, что происходит при переходах между фазами клеточного цикла, в том числе, перед делением клетки, то в полимерных цепях возникают дальние корреляции между сегментами, затухающие по тому же универсальному закону. Этот эффект, предсказанный теоретически и подтверждённый компьютерным моделированием, является маркером выхода системы из равновесия и ещё раз подтверждает роль коллективного движения в динамике хромосом.
«Теперь, экспериментально отслеживая только лишь две реперные точки на участке хромосомы (например, гене), можно получать 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 самых разных полимерных систем в условиях, далеких от равновесия», — добавил Кирилл Половников.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research и поддержаны грантами Российского научного фонда и немецкого Фонда Александра фон Гумбольдта.
Сколтех — негосударственный международный университет (входит в группу ВЭБ.РФ), который готовит новое поколение лидеров в области технологий, науки и бизнеса. Функционируя как фабрика технологий, институт проводит передовые исследования по приоритетным направлениям научно-технологической повестки, а также содействует внедрению технологий и развитию предпринимательства. В институте работают центры по направлениям искусственного интеллекта, наук о жизни и агротехнологий, современной инженерии и перспективных материалов, энергоэффективности и энергоперехода, телекоммуникаций и фотоники, перспективных исследований.
Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Сколтех дважды вошел в топ-100 лучших молодых университетов мира престижного рейтинга Nature Index, а в рейтинге Research.com занимает второе место в общем зачете и первое по генетике среди российских университетов. По версии SCImago Institutions Rankings, Сколтех — № 1 в России в области компьютерных наук.
