Математический анализ раскрывает архитектуру генома человека
Математический анализ позволил исследователям из Японии вывести формулу, описывающую движение ДНК внутри живых человеческих клеток. Используя эти расчёты, учёные могут раскрыть трёхмерную архитектуру генома человека. В будущем это позволит понять, как именно организована ДНК и как к ней получает доступ клеточный аппарат.
Предыдущие методы изучения архитектуры генома требовали умерщвления клеток. Этот проект, объединивший учёных из нескольких институтов Японии, использовал альтернативные молекулярно-биологические и клеточные методы, чтобы сохранить клетки живыми и собрать данные о естественном движении ДНК.
ДНК часто представляют как стабильный и статичный код, но геном в целом — активная молекула, которая движется и меняет форму. Сейчас учёные могут секвенировать весь базовый код ДНК, но знание её крупномасштабной 3D-архитектуры раскроет больше информации о том, как клетки используют этот код.
Во время роста клетки ДНК хранится как размотанный клубок нитей: одни участки (эухроматин) намотаны более свободно и доступны для клеточных механизмов, превращающих ДНК в белок, чем другие, плотно упакованные области (гетерохроматин). При подготовке к делению клетка упаковывает весь хроматин в плотные Х-образные хромосомы.
«Наши расчёты учитывают фрактальную размерность ДНК, которая показывает, насколько плотно ДНК упакована внутри клетки. Способ упаковки ДНК может указывать на то, как клетка использует определённые гены», — говорит Сойя Шинкай, PhD, доцент Хиросимского университета и первый автор статьи.
Вдоль «нити» хроматина расположены регулярные «бусы» — бочкообразные комплексы ДНК с белками, называемые нуклеосомами. Исследователи отслеживали движение нуклеосом, чтобы понять, где и как хранится хроматин.
Учёные пометили нуклеосомы флуоресцентными метками и делали микроскопические снимки в фазе роста человеческих клеток. Затем они использовали теорию полимерной физики, чтобы количественно оценить движение нуклеосом.
«Каждую секунду нуклеосома размером 10 нанометров может перемещаться на 100 нанометров. Постоянные, едва уловимые случайные силы внутри клетки заставляют хроматин так сильно двигаться», — поясняет Шинкай.
Прежде чем клетка сможет использовать ген, ДНК должна быть полностью размотана. Участки хроматина, содержащие часто используемые гены, упакованы менее плотно, чем области с редко используемыми генами. Модель визуализации упаковки хроматина позволит понять, к каким генам обращаются чаще или реже всего и как физически организован геном.
«Наши расчёты относятся к локальным структурам хроматина, но этот метод можно распространить и на целые хромосомы. Эти математические формулы — теория о том, как интерпретировать визуальные данные с микроскопических изображений движущейся в клетке ДНК», — говорит Юичи Тогаши, PhD, адъюнкт-профессор Хиросимского университета и последний автор статьи.
Будущие исследования будут включать поиск новых методов микроскопии и маркировки ДНК для визуального отслеживания движения отдельных нуклеосом в течение более длительного времени.
Исследование провела междисциплинарная команда учёных в области теоретической и вычислительной биофизики, структурной биологии, клеточной и молекулярной биологии в рамках проекта Исследовательского центра математики динамики хроматина в живых клетках Хиросимского университета. В проекте также участвовали Национальный институт генетики (Япония), Университет Кэйо и Высшая университетская школа перспективных исследований (Sokendai).