Учёные из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) и Потсдамского университета разработали физическую теорию, которая проясняет механизм трёхмерной организации генома молекулярными моторами. С помощью аппарата теоретической полимерной физики и компьютерного моделирования учёные смогли впервые рассчитать универсальный параметр этой организации — плотность петель, формируемых моторами-когезинами в интерфазной клетке.
Результаты, опубликованные в престижном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывают, что от 60 до 70 процентов всей ДНК в клетке находится внутри петель, каждая из которых образуется в среднем ровно одним молекулярным мотором методом активной экструзии — одним из ключевых механизмов компактизации двухметровых хромосом в живой клетке. Исследование поддержано грантом РНФ и Фондом Александра фон Гумбольдта.
Главный экспериментальный метод изучения трёхмерной структуры генома — технология Hi-C — фиксирует случайные контакты между разными участками ДНК в клеточном ядре. Однако сама процедура эксперимента искажает исходную картину: химическая сшивка, нарезка ДНК на фрагменты и их соединение влияют на то, какие контакты будут зарегистрированы. Авторы работы построили физическую модель, которая явно учитывает все эти биохимические этапы наряду с формированием случайных петель и позволяет отделить реальную структуру хромосом от «оптики» сложного протокола эксперимента.
Теория предсказала универсальную особенность, которая обнаруживается во всех Hi-C-картах млекопитающих. Если взять производную зависимости вероятности контакта между двумя участками ДНК от расстояния между ними вдоль хромосомы, то на коротких масштабах возникает характерный провал. Этот провал возникает из-за конкуренции двух эффектов: на очень коротких дистанциях картина смазывается из-за конечного размера фрагментов ДНК в протоколе Hi-C, а на более длинных начинают доминировать петли, которые активно экструзируются молекулярными моторами когезина, сближая удалённые участки. Положение и форма провала напрямую зависят от плотности петель и от особенностей конкретного экспериментального протокола.
Чтобы проверить теорию, исследователи проанализировали более 30 наборов данных, полученных на клетках человека и мыши. Плотность петель оказалась достаточно большой: в среднем шесть петель на каждый миллион пар нуклеотидов ДНК (при этом каждая петля имеет длину порядка сотни тысяч пар). При сравнении с независимыми измерениями количества связанного когезина на хромосомах, полученными методами масс-спектрометрии и флуоресцентной микроскопии, обнаружилось почти полное совпадение — около пяти-семи комплексов когезина на миллион пар оснований ДНК.
«Почти идеальное соответствие между числом петель и количеством связанного с хроматином когезина — сильный аргумент в пользу того, что в живых клетках именно одиночные комплексы когезина обладают моторной функцией и способны самостоятельно экструзировать петли ДНК. Долгое время считалось, что основная структурная роль когезина сводится к удержанию сестринских хроматид вместе после репликации. Наша работа с аспирантом Сколтеха Дмитрием Старковым [программы «Вычислительные системы и анализ данных в науке и технике» — прим. ред.] показывает, что этим его функция не исчерпывается: те же одиночные комплексы когезина на протяжении большей части жизни клетки активно организуют трёхмерную структуру генома, выпетливая длинные участки ДНК. Кроме того, нам впервые удалось количественно определить плотность таких петель в геноме. Это пример того, как методы теоретической и статистической физики полимеров позволяют извлекать из биологических данных фундаментальные свойства живой системы. Неслучайно именно в нашей стране исторически сформировалась одна из сильнейших школ в этой области — начиная с работ И. М. Лифшица», — прокомментировал первый автор работы Кирилл Половников, старший преподаватель и руководитель исследовательской группы в Центре искусственного интеллекта Сколтеха.
Дополнительные эксперименты подтвердили верность теории. В клетках мыши с искусственным разрушением когезина плотность петель снижалась ровно пропорционально оставшемуся количеству белка. При использовании усиленного протокола с дополнительным сшивающим агентом менялись только параметры, связанные с экспериментом, а оценка плотности петель оставалась неизменной.
Работа важна не только для фундаментальной биофизики. Нарушения в работе когезина уже связывают с заболеваниями развития, с дифференциацией клеток иммунной системы и, вероятно, со многими другими биологическими процессами, роль которых ещё только предстоит выяснить. Рак всё чаще рассматривают не только как болезнь точечных мутаций, но и как болезнь нарушенной пространственной организации генома. Если архитектура хроматина меняется глобально, это может менять и работу генов, и стабильность генома при делении клеток. Физика полимеров предлагает способ количественного мониторинга структуры хроматина при таких перестройках.
Авторы опубликовали открытый код для извлечения плотности петель из любых Hi-C-данных. Метод позволяет исследователям количественно оценивать изменения плотности петель когезина по характерным особенностям сигнала Hi-C.
