Теория сворачивания хромосом показывает перспективы
Хромосомы человека намного больше и сложнее белков, но, подобно белкам, они, по-видимому, сворачиваются и разворачиваются в упорядоченном процессе, выполняя свои функции в клетках.
Биофизик Питер Уолинс и постдок Бин Чжан из Университета Райса начали долгосрочный проект по определению этого порядка. Они надеются разработать теорию, предсказывающую механизмы сворачивания и результирующие структуры хромосом, аналогично тому, как Уолинс помог революционизировать взгляд на сворачивание белков с помощью концепции энергетических ландшафтов.
Первый результат их работы — новая статья в Proceedings of the National Academy of Sciences, в которой детализируется крупнозернистый метод, позволяющий «обходить некоторые трудности» анализа хромосом на уровне нуклеотидов.
По сути, исследователи используют часто наблюдаемые контакты сшивки между доменами — отдельными последовательностями, формирующимися вдоль сворачивающихся нитей ДНК — для применения статистических инструментов. С их помощью можно строить вычислительные модели и выявлять наличие энергетических ландшафтов, предсказывающих динамику хромосом.
Считается, что то, как макромолекулы ДНК сворачиваются в хромосомы, играет решающую роль в таких биологических процессах, как регуляция генов, репликация ДНК и дифференцировка клеток. Исследователи утверждают, что раскрытие динамики их сворачивания и структурных деталей значительно углубит понимание клеточной биологии.
Вызовы исследования
Однако задача нетривиальна:
- Хромосома состоит из одной гигантской нити ДНК с миллионами субъединиц, что намного длиннее среднего белка и, вероятно, требует больше времени для организации.
- В организации хромосом задействована большая «команда молекулярных игроков» (белков), и лишь немногие из них известны.
- Организация хромосом, по-видимому, варьируется от клетки к клетке и может зависеть от типа клетки и фазы её жизненного цикла.
Эти факторы привели Уолинса и Чжана к выводу, что подход, идентичный белковому (расчёт притяжения и отталкивания отдельных единиц вдоль цепи ДНК), был бы непрактичным.
Находки и перспективы
Одним из результатов исследования стало наблюдение, что, по крайней мере в интерфазном состоянии (которое в основном изучала команда Райса), домены хромосом приобретают характеристики жидких кристаллов. В таком состоянии домены остаются текучими, но становятся упорядоченными, что позволяет формировать локально воронкообразные ландшафты, ведущие к «идеальным» структурам хромосом, похожим на спекулятивные версии из учебников.
Уолинс надеется, что путь к пониманию сворачивания хромосом займёт гораздо меньше времени, чем десятилетия, потребовавшиеся для окупаемости работы его команды по сворачиванию белков.
«Мы не первые в этой области... Я вижу её столь же большой, как и сворачивание белков, — и с этой точки зрения понимаешь, что состояние нашего невежества глубоко. Мы находимся там, где сворачивание белков было, на экспериментальной стороне, в 1955 году», — сказал Уолинс.
Вопрос в том, смогут ли они «перепрыгнуть через тёмные века сворачивания белков, которые привели к нашей теории энергетических ландшафтов. Я думаю, что да».