Универсальный закон объясняет хаотичное движение хромосом

Исследователи из Сколтеха, Потсдамского университета и Массачусетского технологического института обнаружили фундаментальный физический закон, управляющий кажущимся хаотичным движением хромосом внутри живой клетки. Это открытие помогает разрешить давнюю биологическую загадку о том, как двухметровые молекулы ДНК, упакованные в плотные хромосомы, остаются достаточно подвижными для жизненно важных процессов, таких как включение и выключение генов.

Долгое время существовало противоречие:

• С одной стороны, эксперименты по анализу целого генома показывали, что хромосома в ядре клетки упакована не в рыхлый клубок, а в плотный «фрактальный глобулу» — компактную и практически неподвижную структуру.
• С другой стороны, прямые наблюдения за живыми клетками демонстрировали, что отдельные участки хромосом активно и быстро движутся.

Учёные не могли объяснить, как такой плотный глобула может быть настолько динамичным и способствовать быстрой и эффективной регуляции генов.

Ключ к решению — коллективное движение

«Мы разработали статистическую физическую модель, которая показывает, что движение участков хромосом, как длинных полимерных цепей, подчиняется универсальному физическому закону, не зависящему от мельчайших деталей их структуры», — пояснил ведущий автор исследования Кирилл Половников, доцент Центра нейробиологии Сколтеха.

Решение заключается в рассмотрении не точечного, а коллективного движения целых сегментов ДНК. Оказалось, что способность гена на хромосоме смещаться как единое целое (то есть коэффициент диффузии его центра масс) обратно пропорциональна количеству «букв» в его нуклеотидной последовательности.

Это универсальный принцип для полимерных цепей, справедливый как в условиях термодинамического равновесия, так и при активности клетки, и фундаментально связанный с третьим законом Ньютона.

Разрешение противоречия

Анализируя одновременно два маркера на хромосоме, авторы смогли выделить сигнал, соответствующий именно коллективному движению. Расчёты показали, что коллективная динамика хромосом в клетке не такая быстрая, как кажется при наблюдении за отдельными точками.

Извлечённый параметр, характеризующий эту коллективную подвижность, составил 0,77. Это ниже, чем предсказывает простейшая модель, и соответствует теориям, рассматривающим хромосому как компактный полимер с топологическими ограничениями — то есть нити ДНК не могут свободно проходить друг сквозь друга, запутываясь в сложный глобулу.

Таким образом, противоречие разрешено: хромосома действительно является плотно упакованным глобулой, но для коротких геномных последовательностей и временных интервалов её сегменты могут вести себя динамично, пока не столкнутся с топологическими ограничениями собственной сложной структуры.

Предсказание для неравновесных условий

Модель также предсказывает, что при резком изменении термодинамических условий, как это происходит при переходах между фазами клеточного цикла (в том числе перед делением клетки), в полимерных цепях возникают дальнодействующие корреляции между сегментами, затухающие по тому же универсальному закону. Этот эффект, предсказанный теоретически и подтверждённый компьютерным моделированием, является маркером выведения системы из равновесия и дополнительно подтверждает роль коллективного движения в динамике хромосом.

«Теперь, экспериментально отслеживая всего две реперные точки на участке хромосомы (например, гене), мы можем получить информацию о его коллективной динамике и сложной трёхмерной структуре гена в целом. Это не только углубляет наше понимание фундаментальных принципов организации генома, но и раскрывает универсальные физические законы, управляющие поведением различных полимерных систем в условиях, далёких от равновесия», — добавил Половников.