Дорожные знаки и светофоры на ДНК: Физическая модель описывает распределение нуклеосом

ДНК организмов с ядрами упакована характерным образом: большая часть плотно обёрнута вокруг белковых частиц — нуклеосом, соединённых гибкими сегментами ДНК, как бусины на нити. Эта упаковка играет ключевую роль в определении активных генов и, следовательно, синтезируемых белков.

Биофизики профессор Ульрих Герланд и Вольфрам Мёбиус из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) разработали модель, объясняющую распределение нуклеосом вокруг функционально важных сайтов начала транскрипции — первого шага в преобразовании генетической информации в белки. В этих зонах ДНК должна быть свободна от нуклеосом.

Исследователи обнаружили, что по обе стороны от этих зон должны находиться стоп-сигналы, активно предотвращающие формирование и скольжение нуклеосом. «Наша модель — полезный инструмент для расшифровки хроматинового кода, который определяет упаковку ДНК и её избирательную доступность для транскрипции», — говорит Герланд. (PLoS Computational Biology, 19 августа 2010)

В ядре клеток высших организмов генетический материал упакован в компактные хромосомы. Их базовая структурная единица — нуклеосома (две копии четырёх гистоновых белков), выполняющая роль катушки для намотки ДНК. «Нуклеосомы не просто пассивная упаковка. Они решающим образом влияют на регуляцию генов, контролируя, какие сегменты ДНК могут быть транслированы в белки», — поясняет Герланд.

Доступность ДНК — первичный фактор экспрессии генов. Оказалось, что сайты-промоторы, с которых начинается транскрипция, отмечены нуклеосом-свободной зоной, окружённой специфическим паттерном нуклеосом. Биологическая функция этих промежутков — предоставить доступные места для стыковки транскрипционного аппарата.

Герланд и аспирант Мёбиус задались вопросом, может ли простое физическое правило объяснить характерное распределение нуклеосом. Они использовали модель Тонкса, описывающую взаимодействия диффундирующих частиц, ограниченных одним измерением. «Зная положение одной частицы, модель позволяет статистически предсказать положение соседних частиц и наблюдать типичные колебания плотности», — говорит Вольфрам Мёбиус. Анализ показал, что модель газа Тонкса с удивительной точностью описывает распределение нуклеосом.

«Когда мы подставляем в модель средние значения, полученные для большого набора промоторных регионов, расчёты воспроизводят типичный диапазон вариаций плотности нуклеосом, наблюдаемый в биологических системах», — объясняет Герланд.

Модель лучше всего согласуется с биологическими данными, если предположить, что границы нуклеосом-свободной зоны задаются разными условиями:

• Со стороны сайта инициации транскрипции должна находиться фиксированная нуклеосома, предотвращающая скольжение вдоль ДНК, подобно знаку «Движение закрыто».
• На другом конце открытого участка должен быть более крупный сегмент, устойчивый к сборке нуклеосом — сигнал «Остановка запрещена» для нуклеосом.

Результаты Мёбиуса и Герланда впервые количественно подтвердили статистическую модель распределения нуклеосом в геноме, предложенную американским биохимиком Роджером Корнбергом (открывшим нуклеосомы в 1974 г., лауреатом Нобелевской премии по медицине 2009 г.). Новая модель способствует пониманию правил, определяющих структуру и модуляцию хромосом.