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 В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Больше половины студентов регулярно читают учебные тексты под музыку, хотя многие научные работы утверждают, что это вредит пониманию текста. Исследователи из Университета Эдит Коуэн выяснили, что эта привычка определяется не когнитивными способностями вроде силы внимания, а тем, насколько важную роль музыка играет в жизни конкретного человека.
В 2020-х годах шакалы достигли Архангельской области, а еще раньше колонизировали другие регионы Северной Европы. Авторы новой работы проанализировали перспективы и пришли к выводу о неизбежности многократного расширения их европейского ареала в этом веке. Причем ключевую роль в этом играет человек и его действия.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
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