Физики «увидели» случайные петли в хромосомах
Коллектив ученых из Сколтеха, Массачусетского технологического университета и других ведущих научных организаций России и США представил физическую модель свернутого в петли полимера. Точное аналитическое решение этой модели позволило ученым 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 из экспериментальных данных.
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 двух метров. 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 — актуальная задача на стыке физики полимеров и системной биологии.
Несколько лет назад в качестве одного их механизмов компактизации хромосом была выдвинута гипотеза 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.
Коллектив ученых из Сколтеха, Массачусетского технологического университета и других ведущих научных организаций России и США представил физическую модель свернутого в петли полимера. Точное аналитическое решение этой модели позволило ученым воспроизвести универсальные особенности упаковки хромосом из экспериментальных данных — на изображении представлены кривые производной вероятности контакта с характерным пиком и провалом. Теоретическая работа позволит исследователям понять, как петлевая экструзия влияет на биофизические свойства хромосомы, и определить параметры этих петель из экспериментальных данных. Статья опубликована в журнале Physical Review X.
Хромосома с петлями (слева) и кривые производной вероятности контакта (справа). На больших и малых масштабах фолдинг хромосомы существенно различается за счет эффекта разбавления топологических зацеплений, создаваемого петлями / © Кирилл Половников
«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 путем: разработали физическую теорию, которая показывает, как случайно распределенные 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, — рассказывает первый автор работы Кирилл Половников, старший преподаватель и руководитель исследовательской группы в Сколтехе.
Результаты ученых позволили определить характерный размер хромосомных петель и их плотность. Кроме того, ученые обнаружили новый топологический эффект, связанный с петлями. При экструзии петель длина остова полимерной цепи уменьшается, при этом он вытягивается в пространстве за счет так называемого «разбавления топологических зацеплений» в полимерной системе. Ученые разработали аналитическую теорию этого эффекта и также подтвердили свои результаты с помощью компьютерных симуляций. Таким образом, разработанная теория позволяет обнаружить и охарактеризовать петли хромосом в массиве экспериментальных данных, и меняет наше представление о топологической организации хромосом в живой клетке.
«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», — добавляет Кирилл Половников. Работа поддержана Российским научным фондом.
Telegram 
Дзен 
VK Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Ученые выяснили, что золото владеет уникальной «техникой самообороны», которая защищает его от потускнения. Оказалось, атомы на поверхности этого металла способны самостоятельно перестраиваться в особые защитные структуры. Такой невидимый барьер блокирует контакт с кислородом и подавляет процесс окисления в триллион раз эффективнее, чем поверхность любого другого металла.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно