Учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), Потсдамского университета и Массачусетского технологического института (MIT) открыли физический закон, управляющий движением хромосом внутри живых клеток. Исследование объясняет, почему хромосомы — чрезвычайно плотные структуры ДНК — сохраняют подвижность и обеспечивают быструю регуляцию генов.
Исследование, выполненное при поддержке Российского научного фонда и Фонда Александра фон Гумбольдта (Германия), опубликовано в журнале Physical Review Research.
Долгое время биологи сталкивались с противоречием: методы полногеномного анализа показывали, что хромосомы представляют собой компактные «фрактальные глобулы» — плотные и малоподвижные структуры, тогда как наблюдения за живыми клетками фиксировали активное движение отдельных участков ДНК. Новый физический закон позволил объединить эти данные в единую модель.
По словам Кирилла Половникова, старшего преподавателя Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана Сколтеха и первого автора работы, движение участков хромосом как длинных полимерных цепей подчиняется универсальному закону, не зависящему от мельчайших деталей строения молекулы. Ключ к разгадке, пояснил он, заключается в том, что следует рассматривать не точечные колебания, а коллективное движение сегментов ДНК. Учёные показали, что способность гена смещаться как единое целое — коэффициент диффузии центра тяжести — обратно пропорциональна числу букв в его нуклеотидной последовательности. Этот принцип универсален для всех полимерных цепей, выполняется как в термодинамическом равновесии, так и в активной клеточной среде и фундаментально связан с третьим законом Ньютона.
Коллективная динамика и фрактальная структура
Проанализировав одновременно две метки на хромосоме, исследователи выделили сигнал, отвечающий именно за коллективное движение. Расчёты показали, что эта динамика не столь быстра, как кажется при наблюдении отдельных точек. Измеренный параметр подвижности составил 0,77 — меньше, чем предсказывает простая модель свободных полимеров, и соответствует представлению о хромосоме как о фрактальном полимере с топологическими ограничениями, где нити ДНК не могут свободно проходить друг сквозь друга.
Таким образом, хромосома действительно остаётся плотным «клубком», но на коротких временных масштабах её сегменты ведут себя подвижно, пока не сталкиваются с внутренними ограничениями структуры. Модель также предсказывает, что при изменении термодинамических условий — например, во время переходов между фазами клеточного цикла — в полимерной цепи возникают дальние корреляции между сегментами, которые затухают по тому же универсальному закону. Этот эффект, подтверждённый компьютерным моделированием, указывает на выход системы из равновесия и подчёркивает роль коллективного движения в динамике хромосом.
Новые возможности для изучения генома
По словам Кирилла Половникова, теперь, отслеживая всего две реперные точки на участке хромосомы, можно получать информацию о коллективной динамике и сложной трёхмерной структуре гена в целом. Он отмечает, что это открытие не только расширяет понимание организации генома, но и выявляет универсальные физические закономерности, управляющие поведением самых разных полимерных систем — от ДНК до синтетических материалов.