Математическое моделирование объясняет, почему животные видят ночью

Ночные и дневные млекопитающие видят одинаково — но лишь в течение короткого времени после рождения. У новорождённых мышей хроматин в клетках глаз имеет дневную (диуральную) структуру. С каждым днём организация этого хроматина медленно инвертируется, что позволяет мышам видеть ночью. Механизм этого изменения оставался загадкой.

Доцент Сунгрим Сеирин-Ли и лектор Хироши Очиаи из Высшей школы комплексных наук о жизни Университета Хиросимы предположили, что хроматин заставляет ядра клеток менять форму. «Когда мы начали это исследование, наша гипотеза на 100% основывалась на математике, — сказал Сеирин-Ли. — Благодаря нашему математическому моделированию мы обнаружили, что деформация ядра может быть ключевым моментом в изменении структуры ДНК».

Внутри ядра хроматин представлен разными типами и занимает определённые территории. В центре ядра находится эухроматин — в основном активная ДНК. Гетерохроматин, напротив, располагается у оболочки (периферии) ядра. В отличие от эухроматина, гетерохроматин обладает низкой генной активностью.

Однако архитектура ядра у ночных и дневных животных различается — особенно в клетках сетчатки. У ночных млекопитающих ДНК находится в центре ядра. Обычно гетерохроматин остаётся на периферии ядра. Но Сеирин-Ли и Очиаи обнаружили, что у ночных животных его можно переместить за счёт изменения формы ядра.

Для описания движения хроматина исследователи использовали математическое моделирование методом фазового поля. Этот метод, распространённый в физике (например, для различения льда и воды), по словам Сеирина-Ли, «не является обычным в биологических науках. В динамике хроматина это первая попытка в мире». Используя эту функцию, группа смогла увидеть движение хроматина и ядра, определяя и разграничивая внутреннюю и внешнюю часть ядра, а также эухроматин и гетерохроматин.

Наблюдая за гетерохроматином в глазах мышей, учёные обнаружили, что условная архитектура запускает динамическую деформацию, которая приводит к инвертированной архитектуре ядра. В случае инвертированной архитектуры удаляются два белка, что позволяет гетерохроматину перемещаться.

Затем с помощью Очиаи они проверили свою модель на нейральных стволовых клетках, имитирующих клетки сетчатки. После обработки клеток белками, удерживающими гетерохроматин на периферии ядра, деформация прекратилась. Кластеризация хроматина увеличилась, и инверсия архитектуры ядра не завершилась. Этот результат согласовался с математическим моделированием Ли.

В конечном итоге Сеирин-Ли и её коллеги хотят выяснить, универсальны ли их выводы для клеток млекопитающих. «На данном этапе мы думаем, что это относится только к глазам мышей, — сказала Сеирин-Ли. — Но мы не знаем. Возможно, у людей тоже могут быть такие структуры благодаря динамической ядерной деформации». Далее Сеирин-Ли планирует изучить промежуточную структуру — нечто среднее между обычной и инвертированной архитектурой ядра.

Исследование опубликовано в PLOS Computational Biology.