Ученые из Сколтеха вместе с зарубежными коллегами установили базовый физический закон, объясняющий хаотичную динамику движения хромосом в живых клетках. Новое знание решает давно стоящую проблему биологии: каким образом плотно упакованные молекулы ДНК сохраняют необходимую мобильность для реализации ключевых клеточных функций, включая регуляцию активности генов. Информация о научном достижении опубликована на сайте Десятилетия науки и технологий в России.
Давно существовал научный парадокс: экспериментальные данные геномного секвенирования свидетельствовали, что хромосома в ядре клетки представлена плотной структурой типа фрактальной глобулы, ограниченной в движении. При этом прямое изучение поведения хромосом в живых клетках выявляло обратное явление: отдельные сегменты перемещались свободно и оперативно. Долгое время оставалось неясным, как такая плотно упакованная форма способна обеспечивать необходимую гибкость и эффективность генетической регуляции.
«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», — объясняет первый автор работы Кирилл Половников, старший преподаватель Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана Сколтеха.
Выяснилось, что перемещение участка хромосомы, содержащего определенный ген, зависит от длины его нуклеотидной последовательности: коэффициент диффузии центра тяжести конкретного гена обратно пропорционален количеству нуклеотидов в нем. Этот принцип универсален для всех полимерных структур и применим как в состоянии термодинамического равновесия, так и в активной среде клетки. Его происхождение связано с третьим законом Ньютона, отражающим баланс сил в природе.
Анализируя одновременно две метке на хромосоме, ученые выделили сигнал, непосредственно соответствующий совместному движению участков хромосомы. Проведенный расчет показал, что общая подвижность хромосом ниже, чем казалось ранее при изучении отдельных точек. Вычисленный показатель коллективной подвижности составил 0.77, что ниже значения, предсказанного простейшей моделью, и согласуется с теоретическими моделями, представляющими хромосому как фрактальный полимер с наложенными топологическими ограничениями.
Таким образом, хромосома представляет собой плотный клубок, но короткие геномные фрагменты временно демонстрируют значительную подвижность, пока не сталкиваются с внутренними препятствиями, обусловленными собственной сложностью структуры. Предложенная модель также предсказывает возникновение длительных взаимосвязей между участками цепи при резких изменениях термодинамических условий, например, при переходе клеток из одной фазы жизненного цикла в другую, особенно перед делением. Такие изменения подчиняются универсальным закономерностям и служат индикатором нарушения равновесия системы. Данный вывод получил подтверждение в ходе компьютерных симуляций и подчеркивает важность коллективных движений в функционировании хромосом.
Ранее в России создали новый способ ранней диагностики рака. Подробнее о нем рассказали в другом материале Hi-Tech Mail.
