Ученые из МГУ оценили выгоды укладки ДНК по принципу спагетти

Суперкомпьютер «Ломоносов» помог исследователям из МГУ разгадать одну из главных загадок молекулярной биологии и показать выгоды укладки ДНК по принципу доширака.

Группа исследователей из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова попробовала разобраться с одним из наименее ясных на сегодня вопросов молекулярной биологии — с вопросом о том, как в ядре клетки упаковываются нити ДНК. Ученые пришли к выводу, что укладка в особое состояние под названием «фрактальная глобула» за счет ускоренной тепловой диффузии позволяет всей этой генетической машинерии клетки работать с максимальным быстродействием. Результаты своего исследования они опубликовали в майском номере престижного физического журнала Physical Review Letters, импакт-фактор которого равняется 7,7.

Фрактальная глобула – понятие математическое. Если вы уроните на пол длинную леску от спиннинга, она свернется в такой невообразимо подлый клубок, что вам придется либо распутывать его часами, либо бежать в магазин за новой катушкой.

Это – обычная, так называемая равновесная глобула. Фрактальная глобула – структура в этом смысле намного более вежливая. Применительно к леске это комок, в котором леска ни разу не завязалась в узел, она просто свернулась множество раз, так, чтобы ни одна петля вокруг другой не запуталась. Такая структура представляет собой множество свободных петель разного размера – потяни ее за два конца, и она легко распутается. Из-за такой укладки, похожей на укладку нынешних макарон быстрого приготовления «Доширак», наши физики Александр Гросберг, Сергей Нечаев и Евгений Шахнович, впервые предсказавшие ее еще в 1988 году, назвали такую глобулу «складчатой». В последние годы ее чаще называют фрактальной – и звучит научнее, да и полней отражает свойства такой глобулы, поскольку, как и во всех фракталах, ее структура (в данном случае форма мелких и крупных петель) повторяется на малых и больших масштабах.

Долгое время это предсказание оставалось невостребованным. Но результаты исследований последних лет указывают, что хромосомы (нити ДНК) складываются в ядре именно в такую конфигурацию – во фрактальную глобулу. Сегодня по этому поводу в научном сообществе нет консенсуса, но большинство специалистов, работающих в этой области, сильно заинтриговано, и последние пять-семь лет наблюдается целый поток исследований, посвященных геному, свернутому во фрактальную глобулу.

Интуитивно это было понятно. Двойная спираль ДНК, укрепленная соответствующим набором белков, представляет собой длиннющую нить, называемую хроматином.

И если этот хроматин представляет собой библиотеку технических руководств по синтезу того или иного белка, нужного организму, то лучше было бы текст этих руководств без нужды не трогать и, соответственно, избегать ненужных перекрещиваний одного гена с другим, складывать хроматиновую нитку так, чтобы ни в одном месте части этой нитки между собой не завязывались узлом. Поэтому, как бы эта нитка хроматина в ядре ни складывалась, она не должна повторять судьбу нечаянно упавшей на пол рыболовной лески, то есть быть не простой глобулой, а фрактальной.

Вдобавок нитка во фрактальной глобуле, не имеющая узлов, по идее должна иметь более высокую свободу перемещений, что для ДНК немаловажно. Для того чтобы ДНК нормально функционировала, необходимо, чтобы ее отдельные части в нужный момент встречались между собой, «включая» сигнал к считыванию и указывая всей системе место, откуда это считывание следует начинать, причем все это должно происходить достаточно быстро.

«Согласно существующим сегодня теориям, в полимерной цепи, свернутой в обычную глобулу, средний квадрат теплового смещения частицы (в данном случае звена этой цепи) растет пропорционально времени в степени 0,25», — рассказал старший научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Михаил Тамм, являющийся одним из авторов исследования.

По словам Михаила Тамма, ему вместе с коллегами удалось придумать до некоторой степени аналогичную теорию для звена полимерной цепи, свернутой во фрактальную глобулу.

«Мы сумели оценить тепловую динамику, свойственную этому виду укладки. Проведенное нами компьютерное моделирование хорошо подтвердило теоретический результат», — отметил Михаил Тамм.

Ученые из МГУ создали свой метод компьютерного моделирования, который позволял укладывать хроматиновую цепочку во фрактальную глобулу и отслеживать происходящие там тепловые процессы. Им удалось сделать то, что не получалось у их предшественников, – смоделировать ситуацию с длинной цепочкой, состоящей из четверти миллиона звеньев.

По словам Михаила Тамма, моделирование длинных цепочек, а именно они позволяют получить сколько-нибудь значимые результаты, затрудняется тем, что они очень долго приходят в равновесное состояние, при котором уже можно исследовать происходящую там тепловую диффузию.

Удачно разрешив эту проблему за счет грамотно выстроенной программы и большого компьютерного времени на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов», исследователи смогли оценить динамику теплового движения во фрактальной глобуле. Оказалось, что частицы – то есть звенья хроматиновой цепочки – движутся быстрее, чем в обычной, не фрактальной, глобуле. Здесь средний квадрат теплового смещения звена хроматиновой цепочки рос пропорционально времени не в степени 0,25, как в обычной глобуле, а в степени 0,4, то есть движение звеньев там оказывалось значительно более быстрым. Что, по-видимому, в числе прочего и определило для хроматиновой нити выбор фрактальной глобулы в качестве способа ее укладки в ядре.

Исследователи надеются, что их работа позволит более полно понять, как именно функционирует вся машинерия, связанная с хранением и считыванием информации в ДНК.

«С точки зрения динамики нам бы хотелось разобраться с тем, какие там встроенные характерные времена, какие процессы могут происходить просто за счет теплового движения, а что неизбежно требует привлечения активных элементов, ускоряющих работу ДНК», — резюмировал Михаил Тамм.