Автореферат (Статистическая теория структуры хроматина)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиНазаров Леонид ИгоревичСТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СТРУКТУРЫХРОМАТИНАспециальность 02.00.06 – высокомолекулярные соединенияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов Физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель–Тамм Михаил Владимирович, кандидатфизико-математических наукОфициальные оппоненты –Гросберг Александр Юльевич, докторфизико-математических наук, профессор,Нью-Йоркский университет, СШАМиронов Андрей Александрович, докторбиологических наук, кандидат физикоматематических наук, профессор факультетабиоинженерии и биоинформатики, МГУ им.М.В.

ЛомоносоваКудрявцев Ярослав Викторович, докторфизико-математических наук, заведующийлабораториеймодификацииполимеров,Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАНЗащита диссертации состоится 2 ноября 2017 г. в 15 час. 30 мин. на заседаниидиссертационногосоветаМГУ.01.01Московскогогосударственногоуниверситета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинскиегоры, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, СФА.С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотеки МГУ имени М.В.

Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27) и на сайтеИАС «ИСТИНА»: http://istina.msu.ru/dissertations_councils/councils/31666116/.Автореферат разослан «___» __________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета МГУ.01.01,кандидат физико-математических наукЛаптинская Татьяна Васильевна2Общая характеристика работыАктуальность темы работы.Описание упаковки генетического материала в ядрах эукариотических клеток насегодняшний день является одной из центральных проблем молекулярной биологии.Структура упаковки представляет собой не просто компактное состояние длиннойполимерной молекулы (хромосомы длиной порядка нескольких метров упакованы в ядреклетки человека в объеме нескольких тысяч кубических микрон), а структуру, котораясовместима с выполнением целого ряда биологических функций.

Установлено, чтопространственная организация материала хромосом (хроматина) внутри ядра –территориальная, хромосомы во время подготовки к делению клетки слабо заузлены.Отдельные участки хромосомы могут легко деконденсироваться из общего объема, азатем возвращаться в глобулярное состояние; взаимодействующие функциональныеэлементы хромосомы, удаленные вдоль по цепи, тратят на диффузионный поиск другдруга относительно небольшое время.Для теоретического описания упаковки хроматина очень эффективной оказаласьмодель складчатой глобулы (или фрактальной глобулы), позволяющая количественнообъяснитьрядсвойствупаковкиивнутриядерныхпроцессов,связанныхспространственной реорганизацией хромосом.

Складчатая глобула была предложена ранеедля описания состояния цепи, полученного в результате ее быстрого коллапса, и обладаетсвойствами, удобными с точки зрения выполнения биологических функций клетки. Этаструктура характеризуется компактностью, мультимасштабной доменной организацией иотсутствием топологических зацеплений, что способствует повышенной мобильностисубцепей при высокой плотности упаковки. В случае линейных молекул складчатаяглобула – это метастабильное состояние, медленно релаксирующее к равновесному засчет самодиффузии внутри структуры, а также движения свободных концов цепи. Времярелаксации такой структуры определяется, главным образом, длиной молекулы и растет сее увеличением пропорционально кубу длины.

Для полимерной цепи, имеющей размер,сопоставимый с размером хромосомы, оцененное таким образом время жизни складчатогоглобулярногосостояниясоставляетпорядканесколькихсотенлет.Некоторыестатистические свойства складчатой глобулы наблюдаются для макромолекул в расплавенезацепленных полимерных колец.В настоящее время интерес к вопросу упаковки хроматина обусловлен развитиемэкспериментальных технологий по исследованию генетического материала, за последниедесятилетия были получены колоссальные объемы информации о структурныхособенностях хромосом. Наиболее эффективными оказались метод конформационного3захвата хромосом Hi-C, используемый для сбора данных о пространственнойколокализации участков генома, и метод флуоресцентной гибридизации “FISH”(Fluorescence In Situ Hybridization), позволяющий измерить размер пространства, занятыйсегментом цепи, как функцию его длины.

Экспериментальные данные дали возможностьколичественно охарактеризовать свойства упаковки хроматина. Было показано, чтонаблюдаемая структура по статистическим характеристикам подобна складчатойглобулярной конформации.Исследования динамических свойств хроматина, проведенные посредствомнаблюдения за флуоресцентными метками прикрепленными к отдельным локусам нахромосомах, показали, что маркированные участки хромосом двигаются субдиффузионно,причем получаемые экспериментально показатели субдиффузии не могут быть объясненытеоретически в рамках существующих моделей динамики равновесной полимернойглобулы. Теоретических моделей, позволяющих описать динамику теплового движениямономеров складчатой глобулы, до данной работы предложено не было.

Такженедостаточно внимания было уделено исследованию динамики складчатого состояния вчисленном эксперименте.Такимобразом,вопроскорректнойинтерпретацииэкспериментальныхрезультатов, связанных с исследованием упаковки хроматина, наряду с описаниемдиффузионного режима движения в компактных фрактальных структурах оказываются наданный момент весьма актуальными проблемами, представляющими интерес как с точкизрения молекулярной биологии, так и с точки зрения фундаментальной физикиполимеров.Цели диссертационной работы:1.

Построение модели, позволяющей теоретически обосновать, а также воспроизвестив численном эксперименте тонкую структуру экспериментальных Hi-C матрицвнутрицепных контактов хромосом эукариот.2. Исследование статических и динамических свойств состояния складчатой глобулы.Разработкаалгоритмовгенерациифрактальнойструктуры.Сравнениехарактеристик полученной системы с характеристиками состояния равновеснойглобулы в рамках численных экспериментов.3. Построение теории, позволяющей количественно оценить режим диффузионногодвижения мономеров в состоянии складчатой глобулы. Проверка теоретическихпредсказаний в масштабном численном моделировании, а также сопоставлениерезультатов с данными, полученными в реальных биологических экспериментах.4Научная новизна работы:В представленной работе впервые получены и выносятся на защиту следующиерезультаты:1.

Построена статистическая модель, описывающая тонкую структуру карт внутрихромосомных контактов, полученных методом Hi-C. Показано, что комбинациязамороженной блочной первичной структуры цепи и иерархического характераколлапса может объяснить особенности, наблюдаемые на экспериментальных Hi-Cкартах: иерархически-блочную структуру усредненных карт; чередование участков сповышеннойипониженнойвероятностьюконтакта;крупномасштабнуюкомпартментализацию; зависимость вероятности контакта от расстояния междузвеньями вдоль по цепи.2.

Предложен алгоритм генерации в компьютерном эксперименте структур, подобныхскладчатой глобуле. Алгоритм основан на случайном блуждании без самопересеченийс искусственно введенным коротким взаимодействием блуждателя с собственнымследом. Показана эффективность данного алгоритма в сравнении с существующимиметодами, а также продемонстрировано, что статистические свойства получаемыхструктур не зависят от размера системы и близки к свойствам динамическисколлапсированных полимеров.3. Построена скейлинговая теория диффузионного движения в полимерных системахпроизвольной фрактальной размерности, обобщающая классическую модель Рауза.Применение результатов теории к складчатому глобулярному состоянию приводит кпредсказанию зависимости среднеквадратичного диффузионного смещения мономераот времени по закону <(∆R)2> ~ t2/5.

Этот результат был подтвержден нами в рамкахчисленного моделирования динамики полимерного расплава методом диссипативнойдинамики частиц. Необходимо подчеркнуть, что полученный результат хорошосогласуется с экспериментальными данными, наблюдаемыми в живых клетках.4. На основе модели блуждания по дискретной прямой с переменным характеромвзаимодействия ячеек подложки с блуждателем построена модель одномернойупаковки гетерополимера. Процесс конденсации может быть редуцирован кслучайному блужданию в пространстве с подвижными препятствиями и применен дляописания упаковки молекул нуклеиновых кислот в вирусных капсидах.Научная и практическая ценность:Полученные результаты носят фундаментальный характер и представляют интерес какдля физики полимеров, так и для молекулярной биологии.

Теория, построенная в рамках5диссертации, может лечь в основу описания целого класса диффузионных процессов вклетке эукариот. Модели и подходы, введенные впервые в представленной работе, могутоказатьсякрайнеэкспериментальноэффективным способом приготовления состояний,наблюдаемым,длядальнейшегомоделированияблизких кповедениябиологических систем.Апробация работы:Представленные в диссертации результаты прошли апробацию в ходе выступленийна следующих российских и международных конференциях: Moscow Conference onComputational Molecular Biology, Москва 2013; Dynamics in Crowded Systems, University ofPotsdam, Потсдам, Германия, 2013; XIII конференция студентов и аспирантов, ИНЭОСРАН, Москва, 2013; Шестая Всероссийская Каргинская Конференция «Полимеры—2014», Москва, Россия, 2014; Advanced Workshop on Interdisciplinary Views on ChromosomeStructure and Function, ICTP, Триест, Италия, 2014; Condensed Matter in Paris CMD25JMC14, Париж, Франция, 2014; MACRO-2014, Чианг-Май, Таиланд, 2014; QuantitativeMethods in Gene Regulation III, Кембридж, Великобритания 2015, а также на научныхсеминарах в университете Paris-Sud (Франция), 2013; университете г.