Мультимасштабное моделирование нуклеосомной структуры хроматина как ключ к пониманию работы геномов эукариот.

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 проекта 23-74-10012

НазваниеМультимасштабное моделирование нуклеосомной структуры хроматина как ключ к пониманию работы геномов эукариот.

Руководитель Армеев Григорий Алексеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика

Ключевые слова хроматин, эпигенентика, нуклеосома, гистоны, пост-трансляционные модификации, пионерные транскрипционные факторы, молекулярное моделирование, молекулярная динамика, мультимасштабное молекулярное моделирование

Код ГРНТИ34.17.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Несмотря на значительные успехи в секвенировании геномов, достигнутые за последние десятилетия, стало очевидным, что трехмерное динамическое устройство генома является не менее важным для понимания функционирования живых организмов. Особенно это актуально для эукариотических организмов, большие геномы которых компактно упакованы в ядра клеток. Нуклеосома является базовым элементом компактизации ДНК у эукариот. Каждая нуклеосома состоит из белков-гистонов и порядка 200 пар нуклеотидов ДНК. При упаковке в нуклеосомы, линейный размер ДНК сокращается более чем в 6 раз. Нуклеосомы играют ключевую роль не только в компактизации ДНК, но и непосредственно участвуют в регуляции процессов, связанных с работой генома. Расположение нуклеосом, их типов и пост-трансяционных модификаций гистонов влияют на уровни экспрессии генов, процессы репликации и репарации ДНК. Нарушения в связывании с нуклеосомами белков ремоделлеров хроматина и разнообразных транскрипционных факторов могут приводить к патологической дифференцировке клеток и формированию опухолей. Понимание роли нуклеосом и их партнеров в регуляции работы хроматина является ключевым в определении механизмов клеточной дифференциации, онтогенеза и патогенеза. Плотная упаковка ДНК на нуклеосомах также затрудняет ее доступность не только для регуляторных белков, но и для систем генетического редактирования. По этой причине исследование механизмов регуляции компактизации ДНК открывает путь к созданию улучшеных средств для геномного и эпигеномного редактирования. За последнее время значительно выросло число доступных структур нуклеосом и их комплексов с регуляторными белками. Сам по себе набор этих структур содержит большое количество информации о локальных изменениях на уровне одиночных нуклеосом, но не позволяет оценить роль этих изменений на наднуклеосомном масштабе. На текущий момент известны лишь разрозненные части путей регуляции работы хроматина, которых недостаточно для полноценного понимания модуляции структуры и функций хроматина. Настоящий проект посвящен исследованию влияния механизмов эпигенетической регуляции на структуру и динамику нуклеосом и наднуклеосомных структур методами мультимасштабного компьютерного моделирования и биоинформатики. Проект состоит из пяти взаимодополняющих частей: 1) Исследования механизмов формирования комплексов нуклеосом с пионерными транскрипционными факторами (ПТФ), а также влияния связывания ПТФ на структуру и динамику нуклеосом и хроматина в целом; 2) Моделирования влияния динамики гистоновых хвостов (включая модуляцию динамики за счет пост-трансляционных модификаций, ПТМ), динамики нуклеосомной ДНК на структуру и регуляцию функционирования хроматина; 3) Биоинформатического анализа разнообразия гистоновых последовательностей и структур нуклеосом с разнообразными белками хроматина; 4) Исследования белок-белковых взаимодействий ПТФ с белками хроматина для выявления регуляторной сети, приводящей к изменению клеточной судьбы; 5) Создания открытого и общедоступного методического и программного обеспечения для осуществления задач моделирования хроматина. В результате проекта будут получены новые знания в области взаимодействия нуклеосом и гистонов с ПТФ. Будут определены механизмы влияния гистоновых хвостов на регуляцию функций хроматина. Будет создан методический задел для моделирования разупорядоченных гистоновых хвостов в составе нуклеосом. Будут сформулированы гипотезы для экспериментальной проверки влияния ПТМ гистонов, которые могут быть экспериментально проверены. Исследования будут выполняться квалифицированным коллективом молодых специалистов, публикующихся в ведущих научных изданиях, обладающих опытом международной работы, широкими связями с экспериментальными группами в своей области. Результаты проекта будут востребованы для понимания фундаментальных механизмов регуляции хроматина, с перспективой применения результатов в области биомедицины, персонализированной медицины и геномного редактирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Настоящий проект посвящен исследованию влияния механизмов эпигенетической регуляции на структуру и динамику нуклеосом и наднуклеосомных структур методами компьютерного моделирования и биоинформатики. В ходе второго года проекта решался ряд исследовательских и методических задач, необходимых для достижения целей исследования. В части методических задач разработан новый алгоритм картирования нуклеосом по данным MNAse-SEQ для клеточных линий человека, который позволяет значительно увеличить объем данных, пригодных для анализа позиционирования нуклеосом. Доработаны и обновлены базы данных гистоновых вариантов и структур нуклеосом https://histdb.intbio.org/ и https://nucldb.intbio.org/. Аннотированы и классифицированы гистон-подобные белки не эукариот, модернизирован алгоритм классификации гистонов по последовательностям. Подготовлены библиотеки модифицированных силовых полей, необходимых для моделирования пост-трансляционных модификаций в современных силовых полях семейства AMBER. Значительно улучшен пакет для мезомасштабного моделирования хроматина PyNAMod: добавлена возможность ускоренеия расчетов на графических ускорителях, внедрена возможность моделирования нуклеосом с гистоновыми хвостами и пионерными транскрипционными факторами. Проведены тестовые расчеты, показывающие влияние ПТМ на механические характеристики нуклеосомных цепочек. В части исследовательских задач проведено молекулярное моделирование взаимодействий транскрипционного фактора Sox2 с нуклеосомой в различных позициях. Получены траектории молекулярной динамики и структурные модели, позволяющие подтвердить возможность связывания Oct4 не только в известных конфигурациях, но и в дополнительных участках нуклеосомы. Выявлены совместно встречаемые в геноме клеточных линий человека пост-трансляционные модификации. Проведено молекулярное моделирование влияния множественных ПТМ на структуру нуклеосомы. Моделирование показало, что ПТМ существенно влияют на динамику взаимодействия гистоновых хвостов с ДНК, изменяя атомарные контакты и гибкость гистонов. Разработаны подходы к моделированию транслокации нуклеосом по ДНК - продемонстрированы первые шаги в направлении передвижения гистонового ядра относительно ДНК. Показана возможность дополнительной спирализации ДНК на нуклеосомах с продолжительной линкерной областью и возможное формирование прехроматосом - нуклеосом с дополнительно защищенной областью ДНК. Проведено систематическое исследование предиктома интеракторов (совокупности предсказанных взаимодействующих белков) для пионерных транскрипционных факторов из “коктейля Яманаки” и ядерных белков человека. Всего предсказано 10 632 комплекса, из которых 1453 – со средним и высоким качеством моделей. Были выявлены ранее неизвестные возможные пары взаимодействий и показано, что на выявленных контактах присутствуют замены, возникающие при онкомутациях. Проведено сравнение ядерных протеомов из различных типов клеток/тканей, дифференцированных из стволовых клеток человека. На основе публичных данных масс-спектрометрии клеток в процессе дифференцировки ИПСК в гепатоциты и в НСК, выявлены паттерны изменения экспрессии, характерные для функциональных классов белков хроматина. В результате работ опубликованы статьи в журналах Structure (Cell Press) и Биофизика. Также подготовлены интерактивные материалы для ознакомления с данными, полученными в ходе работ. https://intbio.org/grant_2023_RNFmoluch/year2.html

Публикации

1. Хасанова У.Н., Грибкова А.К., Романова Т.А., Шайтан А.К., Армеев Г.А. АНАЛИЗ БЕЛОК-БЕЛКОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПИОНЕРНЫХ ТРАНСКРИПЦИОННЫХ ФАКТОРОВ ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ ПРЕДСКАЗАНИЙ СТРУКТУР ИХ КОМПЛЕКСОВ БИОФИЗИКА, Биофизика. — 2025. — Т. 70, № 5. — С. 837–853. (год публикации - 2025)
10.1134/S0006350925700800

2. Армеев Г.А., Моисеенко А.В., Моторин Н.А., Афонин Д.А., Чжао Л., Васильев В.А., Олейников П.Д., Глухов Г.С., Петерс Г.С., Студитский В.М., Феофанов А.В., Шайтан А.К., Ши Ж., Соколова О.С. Structure and dynamics of a nucleosome core particle based on Widom 603 DNA sequence Structure, Номер 33, выпуск 5, стр 948-959.e5 (год публикации - 2025)
10.1016/j.str.2025.02.007

3. Романова Т.А., Рябов Д.М., Комарова Г.А., Шайтан А.К., Армеев Г.А. Определение возможных позиций связывания SOX2 с нуклеосомами методом молекулярного моделирования БИОФИЗИКА, Биофизика. — 2025. — Т. 70, № 3. — С. 439–452 (год публикации - 2025)
10.1134/S0006350925700460