Автореферат (Статистическая теория структуры хроматина), страница 2

Ковентри(Великобритания), 2015; Ecole Normale Superior de Lyon, Лион, Франция, 2017; вИнституте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН),2017; на Факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ им М.В. Ломоносова, 2017; атакже на семинарах кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова.Публикации:По материалам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 4печатные работы в рецензируемых научных журналах, индексируемых в базах данныхWeb of Science и Scopus, 9 тезисов докладов. Список работ приведен в концеавтореферата.Структура и объем работы:Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Общийобъем работы 107 страницы. Работа содержит 39 рисунков; список цитируемойлитературы из 105 наименований.Содержание работыВо Введении автором обоснована актуальность темы, сформулирована цельисследования, показана значимость результатов в контексте описания мультимасштабнойпространственной организации генома эукариот, а также внутриядерных диффузионно6лимитированных процессов; представлены научные положения, выносимые на защиту;кратко описана структура диссертации.В первой главе проведен обзор современных сведений по теме работы. Первыйраздел посвящен подробному разбору текущих представлений о внутриядернойархитектуре хроматина.

Описаны наиболее эффективные экспериментальные подходы,позволяющие делать выводы о пространственной организации и динамике его сегментов:методфлуоресцентнойрасположениегибридизациимаркированныхFISH,сегментовцепипозволяетвоисследоватьвремени(рис.взаимное1);методконформационного захвата хромосом Hi-C, позволяет статистически описать компактнуюупаковку. Выделен набор функционально значимых особенностей упаковки хроматина,зафиксированныхэкспериментально,аименно:территориальнаяорганизацияикомпактная, в структурном смысле, упаковка хромосом; статистика внутрихромосомныхконтактов; аномальная диффузия сегментов цепей ДНК.Рис.

1. Территориальная организация интерфазных хромосом в ядре человеческойклетки. Изображение получено с использованием метода флуоресцентной гибридизацииFISH. Изображение заимствовано из работы Speicher MR, Carter NP, Nat Rev Genet., 10:782-792 (2005).В рамкахвторого раздела проведен анализ современных представленийполимерной теории о компактных конформациях макромолекул. Подробно описаныструктурные и статистические характеристики складчатой и равновесной глобул,проведено сравнение состояний в контексте описания внутриядерных процессов (рис.

2).7Показано, что пространственная организация хромосом, наблюдаемая в клетках эукариот,с хорошей точностью соответствует представлениям о складчатой глобуле. Обсужденыспособы формирования рассматриваемых структур в рамках численного моделирования, атакже в рамках реального эксперимента, обозначены границы применимости иэффективность каждого из методов. Подробно разобраны существующие моделидиффузионногодвижениявнутрикомпактныхполимерныхконформаций.Подчеркивается, что экспериментальные данные по динамике сегментов хроматина накоротких временных масштабах (от 10-2 до 100 секунд), полученные с использованиемфлуоресцентной микроскопии, демонстрируют аномальное диффузионное движениемаркированных цепей со скейлинговой экспонентой 0.4 +/- 0.04, что не соответствуетсуществующим моделями движения внутри глобулярных состояний макромолекулы.

Дляизучения внутримолекулярной диффузии в численном эксперименте в рамках даннойработы используется метод диссипативной динамики частиц (Dissipative ParticlesDynamic), подробное описание метода приведено в последней части второго раздела.Рис. 2. Иллюстрация визуальных различий в организации доменов глобулярных состоянийградиентно окрашенного полимера: (а) схематичное изображении градиентноокрашенной цепи; (б) состояние складчатой глобулы; (в) состояние равновесной глобулы.Иллюстрация заимствована из L.A. Mirny, Cromosome Res. 19, 37 (2011).Во второй главе предложена модель, позволяющая описать особенности тонкойструктуры карт внутрицепных контактов, полученных методом захвата хромосомнойконформации.

Экспериментальным результатом, положенным в основу гипотезы оскладчатой глобуле как модели пространственной организации хроматина, является8зависимость вероятности контакта между регионами макромолекулы, P, от расстояниямежду ними вдоль по цепи, n: P (n) ~ 1/n. Характеристика получается при анализе матрицвнутрицепных контактов, полученных в результате формирования внутриструктурныхсшивок пространственно близких элементов хромосом посредством введения в клеткуспециального набора активных комплексов.

Матрица строится таким образом, чтоиндексы строк и столбцов соответствуют участкам макромолекулы, пронумерованным впорядке их следования вдоль по цепи. Каждая ячейка матрицы содержит численноезначение вероятности пространственного контакта участков хромосомы, полученное наоснове анализа продуктов реакции, вид матрицы показан на рис. 3(а) (в цветовомпредставлении частые контакты соответствуют части спектра близкой к красному цвету).Важно, что матрицы контактов обладают широким набором структурных особенностей,характеризующих пространственную архитектуру хромосом (рис. 3), что свидетельствуетоб устойчивости хромосомной укладки и является богатым источником данных дляисследования взаимодействий между удаленными вдоль по цепи элементами генома. Мывыделили три основные особенности тонкой структуры матриц: доменная организация(чередованиеучастковсповышеннойипониженнойинтенсивностьюцвета);иерархическая внутренняя структура таких доменов; а также крупномасштабнаякомпартментализация (крупная блочная структура) матричных сегментов.В основу предложенной нами модели легли два базовых предположения: вопервых, состояние, вкотором находится исследуемый объект, есть результатиерархической компактизации макромолекулы, о чем говорит структура контактных карт(вид матрицы при конденсации полимера на иерархическом дереве (рис.

4(а)) представленна рис. 4(б)); во-вторых, гипотеза о гетерополимерности цепи (взаимодействие мономеровзадано на рис. 4(в,г,д)), согласно которой мономеры, представляющие из себя сегментыхромосом,по-разномувзаимодействуютмеждусобойираспределенывдольмакромолекулы в порядке, сохраняющемся для конкретной хромосомы.

Таким образом,гипотеза состоит в том, что наблюдаемые в эксперименте Hi-C карты являютсярезультатом статистического усреднения всех возможных способов иерархическойкомпактизациигетерополимеройцеписфиксированноймономернойпоследовательностью (суперпозиция условий гетерополимерности и иерархическогоскладывания представлена на рис. 4(е,ж)).Тонкаяструктурамодельныхэкспериментальных Hi-Cкарт.матрицконтактовКонфигурацияповторяетособенностикрупномасштабных блоков сильнозависит от упорядоченности9Рис.

3. (а) тонкая структура карты внутрицепных контактов на примере 13хромосомы человека; (б) уменьшение средней вероятности контакта при удалении отглавной диагонали на примере матриц контактов для 3, 7 и 13 хромосом человека.первичной структуры полимера, при этом уменьшение средней вероятности контактамономеров с увеличением расстояния между ними вдоль по цепи, n, ведет себя как ~1/nнезависимо от последовательности мономеров. Ясно, что предложенная модель далека отреальной ситуации: число возможных путей конденсации растет линейно с увеличениемчисла звеньев цепи, в то время как в реальной жизни наблюдается экспоненциальный ростпутей складывания, при этом механизм иерархической конденсации учитываетсуществующую неопределенность структуры упаковки.

Однако мы полагаем, чтоосновной результат, заключающийся в появлении тонкой структуры контактных матрицкаксуперпозициимногихреализацийпроцессаконденсациисразличнымистатистическими весами, сохранится.Входными данными модели является первичная структура гетерополимера, а такженабор параметров: (i) число подскладок, p, заключенных в складке следующего уровня(параметр является качественно важным, однако не влияет на итоговую структуру картыконтактов), (ii) соотношение, u, энергий контакта между мономерами A-B и A-A / B-B, и(iii) обратная температура, β, которая регулирует уникальность упаковки.На рис. 5(а-в) приведены примеры матриц контактов, сгенерированные в рамкахпредложенной модели с различным температурным коэффициентом при фиксированнойпервичной последовательности.

Можно наблюдать последовательную деградацию блокиерархической структуры с увеличением температуры, при этом на рис. 5(г) показано, чтозависимость усредненная вероятность контакта от контурной длины с хорошей точностьюостается пропорциональной 1/n и слабо меняется при изменении обратной температуры β.10Рис. 4. (а) Модель иерархической конденсации полимера, состоящего из 8 мономеров; (б)блок-иерархическая матрица Паризи для вероятности контакта мономеров в глобуле,полученной в рамках конденсации (а); (в) пример гетерополимера со случайнойпоследовательностью звеньев; (г) гетерополимер, полученный из (в), заменой одного иззвеньев на случайный мономер (замена введена с целью учесть контакты цепи сокружающими цепями в расплаве); (д) матрица энергий контактов для структуры,заданной в (г); (е) несколько вариантов конденсации полимера с заданной первичнойструктурой на иерархическом дереве; (ж) статистические веса контактов междумономерами, полученные суперпозицией матриц (б) и (д).11Рис.