КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-72-00170

НазваниеПолимерные модели пространственной упаковки хроматина в клеточном ядре, учитывающие механизм активного выпетливания

РуководительБелан Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук, Московская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

Конкурс№49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-603 - Общие проблемы статистической физики

Ключевые словастатистическая физика макромолекул, стохастические процессы, случайные блуждания, неравновесная статистическая физика, биологическая физика, модель выпетливания

Код ГРНТИ29.17.31

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Прогресс в развитии методов современного биологического эксперимента типа Hi-C (метод определения конформации хромосом) и FISH (флуоресцентная гибридизация in situ) позволил получить представление о том, как организован генетический материал внутри ядер живых клеток. Как оказалось, трехмерная организация хроматина в ядрах далека от случайной упаковки, а нарушения в пространственной организации генома влекут за собой сбои в его функционировании. Выявление принципов пространственной укладки хроматина и поиск способов исправления возможных нарушений – это проблема, имеющая большое прикладное значение для биологии и медицины. Упомянутый прогресс экспериментальных методов в биологии ставит новые задачи перед теоретической физикой. Во-первых, открывается перспектива адаптации существующих теоретических подходов (прежде всего разработанных в области статистической физики) для объяснения и систематизации экспериментальных данных, относящихся к процессам, происходящим в клетках живых организмов. Во-вторых, требуется разработка новых теоретических подходов в тех многочисленных случаях где известные методы не работают. Данный проект направлен на создание аналитически решаемой полимерной модели конформации хроматина в ядрах интерфазных клеток млекопитающих, учитывающей недавно подтвержденный экспериментально процесс активного выдавливания хроматиновых петель SMC-белками. Результатом теоретического анализа станут аналитические выражения для статистических метрик, экспериментально измеряемых методами молекулярной биологии типа Hi-C и FISH: среднего квадрата расстояния и средней частоты парных контактов участков хроматина как функций контурного (генетического) расстояния между ними. Кроме того, проект предполагает теоретический анализ статистики многоточечных контактов, измеряемых в экспериментах типа Tri-C, и рассмотрение кинетики процесса активного выпетливания.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации предлагаемого проекта будет построена статистическая полимерная модель конформации хроматина в интерфазный период жизненного цикла клеток млекопитающих, учитывающая недавно подтвержденный экспериментально процесс активного вытягивания хроматиновых петель SMC-белками, проявляющими АТФ –зависимую моторную активность. Основной статистической характеристикой, предсказываемой моделью, будет среднее (физическое) расстояние между участками ДНК как функция генетического (контурного) расстояния между ними. Измерение этой метрики возможно при помощи метода FISH. Кроме того, наша статистическая модель даст возможность вычисления относительной частоты парных контакта участков генома в зависимости от контурного расстояния между ними – основной метрики, получаемой на основе экспериментальных Hi-C данных. Сравнение аналитических предсказаний с имеющимися в литературе экспериментальными данными даст возможность определить средний размер петель хроматина, образуемых в ходе процесса активного выпетливания, а также оценить долю длины хроматина, стянутого петлями. На данный момент аналитически решаемые полимерные модели, учитывающие механизм активного выпетливания, в мировой литературе отсутствуют, а теоретическое моделирование пространственной укладки хроматина осуществляется посредством ресурсоемкого численного счета. Результаты предлагаемого проекта будут представлять ценность как с фундаментальной точки зрения (развитие статистической физики макромолекул), так и с прикладной (анализ современных молекулярно-биологических экспериментов).

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Модель активного выпетливания предполагает, что пространственная укладка хроматина в ядрах живых клеток осуществляется при участии молекулярных машин, создающих динамически растущие хроматиновые петли. Прямое моделирование динамики хроматинового волокна в присутствии выпетливания позволяет воспроизвести особенности трехмерной структуры хромосом, наблюдаемые in vivo, и объяснить происхождение доменов, наблюдаемых в экспериментальных данных Hi-C методики для интенфазных клеток. Важно отметить, что будучи исходно предложенным в качестве гипотетического молекулярного механизма, процесс активного выпетливания в последние годы получила прямое экспериментальное подтверждение in vitro. А именно, в ряде экспериментов было продемонстрировано, что присутствующие в нуклеоплазме кольцеобразные SMC-комплексы типа конденсин и когезин, связываясь с хроматином, проявляют АТФ-зависимую моторную активность, приводящую к образованию динамически растущих хроматиновых петель. С точки зрения статистической физики, хроматиновое волокно, подвергающееся процессу выпетливания, является интересным примером неравновесной полимерной системы. В отличии от достаточно хорошо проработанной теоретической картины свойств равновесных макромолекул, статистическая физика неравновесных полимеров содержит много открытых вопросов. Большой исследовательский интерес к этой области мотивирован продолжающимся прогрессом в развитии экспериментальных методов, позволяющих получать большое количество новых данных по структуре и динамике биологических полимеров в живых клетках. Отталкиваясь от недавней экспериментальной демонстрации процесса выпетливания ДНК молекулярными моторами, мы исследовали статистические свойства растущих петель полимера в рамках теоретической модели идеальной цепи. Особенности конформации неравновесных петель были охарактеризована посредством таких метрик как средний радиус гирации и вероятность парного контакта. Оказалось, что единственный безразмерный параметр, который задается как отношение времени релаксации петли к времени, понадобившемуся выпетливателю, чтобы эту петли вытянуть, контролирует переход между почти равновесной и сильно неравновесной асимптотиками в ​​статистике петли. Кроме того, мы показали, что обсуждавшиеся в литературе двусторонние и односторонние выпетливатели производят петли с практически идентичными свойствами. Наши результаты основаны на двух строгих полуаналитических методах, которые сопровождаются асимптотическим анализом пределов медленной и быстрой скорости выпетливания. Также мы продемонстрировали, что аналитические предсказания для частоты парных контактов, извлеченные из модели активного выпетливания в ее простейшей версии, где хроматиновое волокно рассматривается как идеальная гауссова цепь, согласуются с экспериментально данными по статистике контактов в интерфазных хромосомах.

 

Публикации

1. Старков Д.Е., Парфеньев В.М., Белан С.А. Conformational statistics of non-equilibrium polymer loops in Rouse model with active loop extrusion The Journal of Chemical Physics, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1063/5.0048942

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В течение второго года выполнения проекта были достигнуты следующие научные результаты: -- Проанализирован асимптотический предел редких петель, на языке диаграммных вычислений соответствующий однопетлевому приближению. Показано, что однопетлевое приближение качественно верно воспроизводит характерную форму графика вероятности парного контакта в зависимости от контурного расстояния, однако хорошее численное согласие точного и приближенного решений наблюдается только в пределе чрезвычайно редких петель. -- Получены аналитические предсказания для частоты парных контактов и среднего физического расстояния между участками идеальной цепи с беспорядком петель, разделенными контурным расстоянием много большими средних длин петли и зазора, которое не чувствительно к конкретным деталям статистики случайных петель. -- Разработана обобщение диаграммной техники вычислений для целей описания средних значений, характеризующих совместную статистику физических контактов трех участков полимерной цепи со случайными петлями. Вычислена вероятность контакта между двумя участками хроматина при условии наличия контакта с третьим участком. Полученные результаты подсказывают способ извлечения оценки на среднюю длину петли на основе экспериментальных данных. А именно, мы обнаружили, что логарифмическая производная условной вероятности парного контакта и отношение условной вероятности к частной, будучи рассматриваемыми как функции от контурных расстояний, являются немонотонными, причем положения экстремумов близки к средней длине петли.

 

Публикации

1. Половников К.Э., Брандао Х.Б., Белан С., Славов Б., Имакаев М. и Мирный Л.А. Crumpled polymer with loops recapitulates key features of chromosome organization PHYSICAL REVIEW X, 13(4), 041029 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041029

2. Белан С.А., Старков Д.Е. Влияние активного выпетливания на статистику тройных контактов в модели интерфазных хромосом Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, т.115 вып.12 (год публикации - 2022)

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта представляют ценность с фундаментальной точки зрения (развитие статистической физики биополимеров) и с прикладной (систематизация данных современных микробиологических экспериментов, имеющих медицинские приложения).