Диссертация (Статистическая теория структуры хроматина), страница 2

Применяя результатытеории к состоянию складчатой глобулы, мы спрогнозировали режим диффузионногодвижения мономера, входящего в состав структуры, согласно нашей теории,среднеквадратичное смещение мономера описывается законом <(∆R)2> ~ t2/5.Результат был подтвержден нами в рамках численного моделирования динамикиполимерного расплава (с помощью метода диссипативной динамики частиц).Необходимо подчеркнуть, что полученный режим диффузионного движения схорошей точностью описывает диффузию, наблюдаемую в реальных клетках.4. Предложен алгоритм анализа доменной организации компактных полимерных системпо матрице внутрицепных контактов, основанный на комплексной теории сетей.Алгоритм позволяет выявить иерархические доменные организации, основываясь набинарной матрице контактов, построенной для отдельно взятой упаковки полимера.5.

На основе модели блуждания по дискретной прямой с переменным характеромвзаимодействия ячеек подложки с блуждателем построена модель одномерной6упаковки гетерополимера. Процесс конденсации может быть редуцирован кслучайному блужданию в пространстве с подвижными препятствиями и применендля описания упаковки молекул нуклеиновых кислот в вирусных капсидах.В рамках данной работы изложение построено следующим образом.

В главе 1 будетпроведен краткий очерк литературных данных по затрагиваемым в диссертации темам.Раздел 1.1 посвящен биологическим аспектам проблемы упаковки генетическогоматериала в ядре, в нем будут подробно рассмотрены текущие знания о клеточныхпроцессах, имеющих отношения к способу компактизации хромосом. Раздел 1.2содержит современные представления полимерной теории о структурных особенностяхглобулярных состояний макромолекул. Главы 2-5 посвящены изложению оригинальныхрезультатов диссертации. В главе 2 будетпредставлена разработанная намистатистическая модель иерархической конденсации гетерополимера, позволяющаяописать особенности тонкой структуры карт внутри-цепных контактов эукариотическиххромосом.

Глава 3 посвящена описанию разработанных нами методов полученияконденсированныхполимерныхконформационно-зависимогосостояний,синтезавскладчатойчастности,предложенметодприведенанализглобулы;статистических и динамических свойств получаемых структур. Также в рамках главы 3будет предложен метод анализа внутренней доменной организации полимерной системыпо картам внутрицепных контактов.

В главе 4 мы предлагаем новый подход к описаниюдинамики полимерных систем, на базе которого нами была разработана скейлинговаятеория, описывающая диффузионный режим движения в полимерных структурахпроизвольнойфрактальнойразмерности.Прогнозытеорииподтверждаютсярезультатами масштабного численного эксперимента, проведенного для систем,сгенерированных с использованием алгоритмов, предложенных в главе 3. В главе 5 мывводим простейшую модель блуждания по одномерной подложке, реагирующей наконтакт с блуждателем, и демонстрируем, как введение локального взаимодействия вмодель гетерополимерной конденсации может привести глобальной оптимизациисистемы, в частности, к воспроизводимому складыванию при сохранении первичнойструктуры цепи.7Глава 1. Обзор литературных данных, используемых вдиссертации.Пространственная организация генома эукариот1.1.Молекулярная биология на сегодняшний день является одной из наиболеединамично развивающихся областей науки.

Главным образом, прогресс связан синтенсивным развитием экспериментальных методик, позволяющих пролить свет напространственную организацию генетического материала живой клетки. Наиболееэффективнымиоказалиськонформационногозахватаметодыфлуоресцентнойхромосомы(Hi-C),гибридизациикоторыенетолько(FISH)иизменилипредставление об объемной организации интерфазного хроматина, но и пролили свет надинамические свойства структуры.

Базируясь на хорошо известных представлениях олокальной структуре ДНК-белковых комплексов, данных о дальних взаимодействияхмежду функциональными участками хромосом и доказанной экспериментальнотерриториальной организации хроматина, был сделан вывод, что наиболее подходящеймоделью, описывающей объемную структуру ДНК эукариот, является модель складчатой(или фрактальной) глобулы. Существование данного состояния также подтверждаетсяисследованиями диффузионного движения участком хромосом в клетке.

В данной главебудет приведен обзор механизмов компактизации ДНК от самого низкого уровня(двойной спирали), до относительного пространственного расположения целыххромосом; будут рассмотрены современные экспериментальные данные об объемнойархитектуре хроматина и выводы, к которым они привели.1.1.1. Мультимасштабная структура хроматинаГеном эукариотической клетки разделен на хромосомы, плотно упакованные вобъеме ядра. Суммарная длина хромосом в вытянутом состоянии достигает около 2метров, объем ядра, при этом, имеет несколько мкм в диаметре. В этом разделе будутобсуждены современные представления о механизмах, позволяющих молекуле ДНКконденсироваться столь эффективно.Хроматин – это комплекс молекулы ДНК и белков, имеющий многоуровневуюорганизацию, как показано на Рис.

1.1. Структура хроматина, главным образом, зависитот стадии клеточного цикла: в интерфазе (период клеточного роста) хроматинмаксимально организован, эта фаза составляет большую часть клеточного цикла, в этот8период клетка подготавливается к делению.

Интерфаза содержит три стадии: фазаначального роста G1, сопровождающаяся синтезом мРНК, белков и ростом клетки; Sфаза, в которой происходит репликация молекулы ДНК; G2-фаза (или предмитотическийпериод) сопровождается синтезом белка, в том числе участвующего в формированиинити веретена деления.

За интерфазой следует фаза митоза, в которой осуществляетсяделение клетки, в этот период интерфазные хромосомы подвергаются десятикратномууплотнению, так что становятся заметными в световой микроскоп. Необходимо заметить,что рассуждения и модели, предложенные в рамках данной работы, будут строиться дляинтерфазного хроматина эукариотических организмов [1].Рис. 1.1. Мультимасштабная структура ДНК эукариотических клеток.На низшем уровне молекула ДНК эукариот имеет структуру двойной спирали,которая плотно наматывается на специальные белковые формирования (гистоновыебелки). Соединения стабилизируются за счет водородных связей, гидрофобныхвзаимодействий, а также образования солевых мостиков [37]. Комплекс сегментамолекулы ДНК с гистоновым октаномером называется нуклеосомой.

Важно, чтосвязывание молекулы ДНК с гистонами происходит независимо от последовательностинуклеотидов, а значит, нуклеосома может быть сформирована на произвольном участкемакромолекулы; главным образом, локализация нуклеосом по длине молекулыопределяется наличием других, негистоновых, ДНК-связных белков [37-39]. Участки9ДНК между нуклеосомами называются линкерными и имеют средний размер порядка150 нуклеотидных пар, что сопоставимо с персистентной длиной молекулы. Этоозначает, что нуклеосомная структура, в отсутствии дополнительных взаимодействий,сохраняет гибкость, близкую к гибкости свободной ДНК.

Однако активность ДНКсвязных белков оказывает существенное влияние на локальную структуру хроматина,как результат, линейная концентрация нуклеосом вдоль цепи может быть как крайневысокой, так и весьма разряженной. За перемещения нуклеосом вдоль ДНКответственны специальные ДНК-связные белковые комплексы, работающие за счетэнергии, выделяемой при гидролизе АТФ. Они способны осуществлять быстрыенуклеосомные перестройки, ослабляя связь молекулы ДНК с белковым стержнем, этоприводит как к перемещению нитей ДНК по стержням нуклеосом, так и к полномуизвлечению стержня с целью сделать молекулу доступной для клеточных белков (такжепроисходятситуациисзаменойчастигистоновогооктаномера).Важно,чтокомпактность упаковки регулируется не только за счет активности белковых комплексовперестройки хроматина, важную роль также играют взаимодействия между гистонами,которые, способны, в зависимости от собственно состояния, притягиваться иотталкиватьсядруготдруга,регулируякакотносительноепространственноерасположение нескольких хромосом, так и локальную плотность упаковки хроматина[40].

Помимо стержневых гистонов в клетке присутствует и специфический гистон H1,который связывается и с ДНК, и с октаномером, есть предположение, что,взаимодействуя с несколькими нуклеосомами, гистон H1 регулирует направлениелинкерных участков ДНК, что приводит к образованию следующего уровня упаковкигенетического материала – 30нм хроматиновых фибрилл [37].

Важно отметить, чтоформируемая таким способом структура не является консервативной, в результатепостоянной белковой активности и динамичных перестроек генома, хроматинодновременно содержит регионы нескольких типов: открытое ДНК (участки ДНК,свободные от нуклеосом), участки, где положение нуклеосом жестко фиксировано(например, места начала транскрипции), а также участки, в которых нуклеосомнаяукладка зависит белков, инициирующих ремоделирование хроматина.

Это позволяетрегулировать активность транскрипции за счет образования открытого ДНК; подобныепространственные перестроения играют ключевую роль в важнейших процессахклеточного цикла, таких как транскрипция, репликация и экспрессия генов.Крупномасштабная организация хроматина на сегодняшний день являетсяпредметом множества дискуссий [41]. Динамичность геномных реорганизаций и10зависимость структуры от огромного набора факторов, таких как фаза клеточного циклаи ярко выраженная реакция на сторонние воздействия, делают исследования в этойобласти сложнейшей задачей, как в экспериментальном, так и в теоретическом плане.Однако именно пространственное устройство генома на высоком уровне играетважнейшую роль в клеточных процессах.

Даже упакованная в 30 нм фибриллу, молекулаДНК, конденсируясь в объем ядра размером порядка 10 мм, должна быть сложена еще,примерно, в 100 раз. Требования к итоговой структуре при этом не ограничиваютсяодной лишь компактностью, для выполнения биологических функций организацияхроматина должна способствовать таким процессам, как быстрый диффузионный поискбелками регуляторами соответствующих функциональных элементов макромолекулы,причем, в случае некоторых взаимодействий необходима не только локализация белка итребуемого региона ДНК, но и пространственная близость белкового комплекса кнескольким сегментам цепи одновременно.Было показано, что упаковка хромосом эукариот способствует образованиюпетель в широком диапазоне масштабов: как коротких [5,42,43], размера порядканескольких тысяч нуклеотидных пар, так и весьма крупных, как, например, происходит вслучае взаимодействия энхансера и промотора [6,44], когда два сегмента ДНК,вовлечены в единый процесс, требующий их пространственной близости, но при этомрасстояние между ними вдоль по цепи может достигать нескольких сотен килобаз 1) [1].Более того, наряду с экспериментально показанным обилием петель, структура недолжна препятствовать процессу деконденсации отдельных сегментов цепи, что являетсяважнейшей частью процесса регуляции генной экспрессии.1.1.2.