Диссертация (Статистическая теория структуры хроматина)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВА»__________________________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТна правах рукописиНазаров Леонид ИгоревичСТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СТРУКТУРЫХРОМАТИНАспециальность 02.00.06 – высокомолекулярные соединенияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукнаучный руководитель:к.ф.-м.н. Тамм Михаил ВладимировичМосква – 2017Оглавление.Введение………………………………………………………………………………………...4Глава 1. Обзор литературных данных, используемых в диссертации……………………....81.1. Пространственная организация генома эукариот……………………………………81.1.1.

Мультимасштабная структура хроматина…………………...……………….81.1.2. Современные представления о внутриядерной архитектуре.......….………111.1.2.1. Методики исследования внутриядерной организации………………...121.1.2.1.1.Метод флуоресцентной гибридизации (FISH)………………….121.1.2.1.2.Методы конформационного захвата хромосом (Hi-C)………...131.1.2.2. Территориальная организация хроматина…..………………………….161.1.2.3.

Объемная структура отдельных хромосом……………………………..171.1.3. Динамика хроматина………………………………………………………….201.1.4. Выводы…………………..……………………..………………………………221.2. Состояния полимерной цепи………………………………………………………...231.2.1. Переход клубок-глобула……………………………………………………...231.2.2. Складчатая глобула………………………...….……………………………...251.2.3. Природа формирования состояния складчатой глобулы……...…………...281.2.3.1. Быстрый коллапс макромолекулы……………………………………...281.2.3.2. Пространство-заполняющие кривые…….....…..……………………....301.2.3.3.

Расплав незацепленных колец…………………………………………..311.2.3.4. Модель переключающихся связей……………………………………...331.2.4. Динамика полимерной цепи………………………………...……………….341.2.4.1. Модель Рауза………………………..……………..……………………...351.2.4.2. Модель Зима………………………………………………………………371.2.4.3. Теория рептаций………………………………………………………….401.2.4.4. Динамика расплава закольцованных полимеров…….………..………..421.2.5. Метод диссипативной динамики частиц………...………………………….44Глава 2.

Складчатая глобула, как результат иерархической конденсации полимера…….462.1. Введение………………………..……………………………………………..…….462.2. Тонкая структура карт внутрицепных контактов хромосом эукариот…………4822.3. Иерархическое складывание диблок-сополимера………………………………..482.3.1. Формирование иерархической структуры складчатой глобулы…….502.3.2. Карты контактов как результат усреднения по ансамблю…...……....542.4. Результаты и обсуждение………………………………………………………...57Глава 3.

Генерация и спектральный анализ компактных полимерных структур…………613.1. Введение…………………………………………………………………………..613.2. Методы генерации компактных полимерных структур…..………..………….623.2.1. Метод конформационно-зависимого синтеза………………………...…623.2.2. Метод построения полимерных колец на решеточных животных....…..683.2.3. Метод передачи цепи………………………………………………...……703.3. Выявление топологических доменов по данным о колокализации сети……..723.3.1. Детектирование иерархической организации доменов макромолекул...723.3.2.

Спектральный анализ матриц связности полимерных систем………….773.4. Результаты и обсуждение………………………………………………………..80Глава 4. Динамика полимерной структуры произвольной фрактальной размерности…..814.1. Введение………………………….…………………………………...….…...…..814.2. Движение мономера в глобулярном состоянии полимера……..………..…….824.3. Скейлинговая теории диффузии мономеров в полимерных структурахпроизвольной фрактальной размерности…....……………………………………....834.4. Моделирование диффузии в полимерных расплавах………………………….854.5. Результаты и обсуждение………………………………………………………..89Глава 5. Модель адсорбции сополимера на одномерной подложке……………………….905.1. Введение………………....……………..……………...……………...…………..905.2. Модель конденсации гетерополимера на одномерную подложку…....……….915.3.

Конденсация как случайное блуждание по прямой с ассимилирующимиметками………………………………………………………………………………...935.4. Результаты и обсуждение………………………………………………………...97Основные результаты и выводы...……….……………………………………........………...98Благодарности………………………………………………………………………………..100Список литературы…………………………………………………………………………..1013Введение.Проблема упаковки генетического материала в ядрах эукариотических клеток насегодняшний день является одной из центральных проблем молекулярной биологии.Вопрос, поставленный перед современной наукой, не ограничивается исследованиемспособа локализации молекулы длиной порядка нескольких метров в крошечном объемев несколько тысяч кубических микрон, искомая структура, наряду с компактностью,должнаобладатьширокимнаборомсвойств,необходимыхдляподдержаниябиологических функций клетки.Стоит отметить, что структура хроматина крайне динамична, его состояние вконкретный момент времени зависит, главным образом, от фазы клеточного цикла.Отмечу, что в рамках текущей работы внимание акцентировано на интерфазномсостоянии макромолекулы.

В период интерфазы клетка подготавливается к процессуделения, фаза является наиболее длительной; хромосомы находятся в набухшемсостоянии и занимают большую часть объема ядра [1].Известно, что пространственная организация хроматина внутриядра –территориальная [2-4], структура является слабо заузленной во время подготовки кделению клетки [1]. Отдельные участки хромосомы могут легко деконденсироваться отобщего объема, а затем возвращаться в глобулярное состояние; также установлено, чтовзаимодействующие функциональные элементы хромосомы, удаленные вдоль по цепи,тратят на диффузионный поиск друг друга относительно небольшое время, как,например, в случае энхансер-промоторного взаимодействия [5-7]. Перечисленныесвойстванехарактерныдляравновеснойглобулы–компактногосостояниямакромолекулы, известного из классической полимерной физики [8,9].

Действительно,структурные особенностиравновесной глобулы препятствовали бы выполнениюбиологически значимых функций за требуемые временные интервалы [10]. В то жевремя, предположение о том, что структура, в которой находится хроматин, отлична отравновесной, порождает вопросы о механизмах её стабилизации. В качестве теории,способной на качественном уровне объяснить внутриядерные процессы, связанные спространственной реорганизацией хромосом, была предложена гипотеза об упаковкехроматина в состояние складчатой глобулы (или фрактальной глобулы) [11].Состояние складчатой глобулы имеет удобные в биологическом смыслефункциональные особенности и может наблюдаться в реальных системах как результатбыстрогополимерногоколлапса[12,13].Структурахарактеризуетсявысокой4компактностью,мультимасштабнойдоменнойорганизациейиотсутствиемтопологических зацеплений, что способствует повышенной мобильности субцепей.Складчатая глобула – это метастабильное состояние, медленно релаксирующее кравновесной за счет самодиффузии внутри структуры, а также динамики свободныхконцов цепи.

Время релаксации определяется, главным образом, размером молекулы иизменяется с увеличением количества мономеров как ~ N 3. Для полимерной цепи,имеющей размер, сопоставимый с размером хромосомы, оценка времени релаксации даетвеличину порядка нескольких сотен лет [10,13]. Необходимо отметить, что некоторыестатистические свойства складчатой глобулы наблюдаются для макромолекул в расплавенезацепленных полимерных колец [14-16].В настоящее время интерес ученых из многих областей к данной теме обусловленразвитием экспериментальных технологий по исследованию генетического материала, запоследниедесятилетиябылиполученыколоссальныеобъемыинформацииоструктурных особенностях хромосом. Наиболее эффективными оказались методконформационного захвата хромосом Hi-C, используемый для сбора данных опространственной локализации участков генома [17-22] и метод флуоресценнойгибридизации “FISH” (Fluorescence In Situ Hybridization), позволяющий измерить размерпространства,занятыйсегментомцепи,какфункциюегодлины[23-28].Экспериментальные данные дали возможность количественно описать свойстваупаковки хроматина.

Было показано, что наблюдаемая структура по статистическимхарактеристикам,какипредполагалось,далекаотконформацииравновеснойполимерной глобулы и, с хорошей точностью, совпадает с характеристиками складчатойглобулярной структуры.Однойизэкспериментальноизмеренныхстатистикявляетсяхарактерзависимости вероятности пространственного контакта между двумя сегментамимакромолекулы от расстояния между ними вдоль по цепи, определяемый с помощьюметодаHi-C.Полученныерезультатыпоказалистепеннойзаконуменьшениявероятности пространственного контакта между двумя мономерами по мере ростарасстояния между ними вдоль по цепи со степенью γ в диапазоне между –1.0 и –1.1 дляразличных организмов [29-32] (в то время, как в равновесной глобуле параметр γ =–1.5).Исследование динамических свойств хромосом проводилось по средствам наблюденияза маркированными флуоресцентными метками участками макромолекул [33-36].Отмечу, что и в этом исследовании диффузионный режим не соответствовал5равновесной глобуле.

Теория, позволяющая дать оценку режиму движения в складчатойглобуле, будет впервые предложена в рамках текущей работы.В настоящей работе впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты:1. Создана статистическая модель, описывающая тонкую структуры карт внутрихромосомных контактов, полученных методом Hi-C. Модель базируется наиерархической конденсации гетерополимера со случайным распределением звеньевразных типов вдоль цепи. Показано, что существование фиксированной первичнойструктуры наряду с иерархическим характером коллапса цепи может объяснитьособенности, наблюдаемые на экспериментальных Hi-C картах: иерархические блоки;чередование участков с повышенной и пониженной интенсивностями цвета;крупномасштабную компартментализацию; зависимость вероятности контакта отрасстояния между звеньями вдоль по цепи.2.

Разработаналгоритмгенерацииструктуры,подобнойскладчатойглобуле,основанный на случайном блуждании без самопресечений с искусственно введеннымкороткимвзаимодействиемблуждателяссобственнымследом.Показанаэффективность данного алгоритма в сравнении с существующими методами, а такжепродемонстрировано, что статистические свойства получаемых структур не зависятот размера систем и близки к свойствам динамически сколлапсированных полимеров.3. Построена качественно новая скейлинговая теория диффузионного движения вполимерных системах произвольной фрактальной размерности.