Пространственная организация и динамика хроматина с точки зрения неравновесной полимерной физики и теории информации

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 25-13-00277

НазваниеПространственная организация и динамика хроматина с точки зрения неравновесной полимерной физики и теории информации

Руководитель Половников Кирилл Евгеньевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-303 - Теория и компьютерное моделирование полимерных систем

Ключевые слова фолдинг хромосом, Hi-C, карта контактов, фрактальная глобула, хроматин, генеративная модель диффузии, инпейнтинг, метод максимизации энтропии, взаимная информация, дробно-броуновское движение, активная экструзия петель

Код ГРНТИ34.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из наиболее сложных задач современной Биофизики является проблема пространственной организации ДНК в ядре эукариотической клетки и ее перестройки в переходе между фазами клеточного цикла. Несмотря на то, что индивидуализированные хромосомы впервые были обнаружены в оптической микроскопии более 100 лет назад, некоторые особенности их структуры и ее реорганизации при переходе между фазами клеточного цикла в широком диапазоне геномных масштабов до сих пор остаются далекими от полного понимания с точки зрения биофизических механизмов. Вместе с этим, корректная трансформация структуры хромосом и воспроизведение особенностей их конформационной организации в интерфазе и митозе необходимы для успешного биологического функционирования клетки. Всплеск экспериментальных высокопроизводительных методов последнего десятилетия, в основном, Hi-C, обнаружил, что интерфазные хромосомы у высших эукариот организуются статистически аналогично незаузленным кольцам в расплаве колец. В рамках недавнего проекта РНФ руководителем проекта было установлено, что в процессе перехода из митоза в интерфазу происходит качественное изменение топологического состояния хромосомы из заузленного в незаузленное; также был предложен механизм направленной активности топоизомеразы-II как ключевого медиатора этого изменения. Эти результаты ставят под сомнение превалирующее объяснение незаузленности интерфазных хромосом как «эффект структурной памяти» митотической конформации. Почему же эукариотические хромосомы ведут себя как топологически-стабилизированные кольца, хотя представляют собой линейные цепочки? Настоящий проект посвящен исследованию структурной и динамической организации хромосом в различных стадиях клеточного цикла с использованием теории, моделирования и анализа экспериментальных данных. В частности, мы количественно проверим нашу новую гипотетическую модель организации интерфазной хромосомы в виде петель размером в несколько мегабаз, формирующихся стохастически при выходе из митоза. Эта модель призвана объяснить наблюдаемую крупномасштабную незаузленность хромосом, а также предлагает новый биофизический механизм распутывания при переходе из митоза в интерфазу, не требующий специальной регуляции топоизомеразы-II. Кроме этого, мы исследуем статистические и теоретико-информационные свойства петель, формирующиеся в результате активной экструзии моторами, и применим нашу модель на данных в интерфазе и митозе для получения новой информации о свойствах петель хроматина в живой клетке. Одновременно с этим, мы разработаем новые аналитически-решаемые модели динамики фрактальных цепей, согласующиеся с недавними экспериментальными наблюдениями раузовской динамики и реологии хроматина. Для проверки формулируемых биофизических гипотез перспективными являются данные, полученные из единичных клеток, такие как single cell карты контактов Hi-C и карты расстояний из флуоресцентной микроскопии FISH. Для извлечения информации о возможных корреляциях и совместной статистике контактов между различными парами геномных локусов мы планируем привлечение теоретико-информационного и графового подходов анализа карт контактов. Чтобы обойти известную проблему разреженности данных, мы займемся задачей оптимального восстановления значений, отсутствующих в данных в силу артефактов экспериментальных методик. Для этих целей мы разработаем концептуально новые инструменты анализа высокопроизводительных экспериментальных данных с использованием современных генеративных технологий искусственного интеллекта для естественных изображений, учитывающих физические особенности организации хроматина в клетке.

Ожидаемые результаты
С точки зрения Биофизики данный проект раскроет взаимодействие фундаментальных физических явлений в клеточном ядре, таких как активное вытягивание петель и его различие в митозе и интерфазе, эффекты активности и вязкоупругости на динамику хромосом, а также предложит ряд инструментов надежного извлечения статистической информации из набора single cell данных на основе генеративного искусственного интеллекта. А именно, проект количественно протестирует (а) новую модель интерфазной хромосомы в виде стохастических крупномасштабных петель, которая может предложить новый механизм распутывания цепей при выходе из митоза, а также объяснить топологически-стабилизированную организацию интерфазных хромосом, наблюдающуюся в экспериментах Hi-C и FISH. Мы также теоретически исследуем и опишем (б) статистические свойства петлевой организации хромосом в митозе и интерфазе, как результат универсального биофизического процесса в клетке -- активной экструзии хроматина молекулярными моторами. Применение разработанной теоретической модели к экспериментальным данным in vivo впервые позволит описать статистику петель хроматина и особенности процесса активной экструзии, происходящего в живой клетке. Кроме того, мы разработаем (в) новые аналитические модели динамики хромосом, учитывающие активность и вязкоупругость нуклеоплазматической среды, которые одновременно объяснят как фрактальную структурную организацию, так и раузовскую динамику и реологию интерфазных хромосом. Новые теоретические модели объяснят существующие противоречия между различными экспериментальными данными и обнаружат новые биофизические механизмы, регулирующие структуру и динамику хромосом. Мы также разработаем (г) новые теоретико-информационные подходы по восстановлению совместной статистики контактов из single cell данных и применим (д) модели инпейнтинга изображений на основе генеративного машинного обучения. Последние два результата позволят обойти проблему недостаточности размеров имеющихся статистических выборок карт контактов и расстояний и дадут представление о полной статистической информации о структуре конформаций хромосом, которая принципиально может быть получена из экспериментов на единичных клетках. Все предлагаемые теории и модели в рамках проекта будут опираться на актуальные экспериментальные данные и будут соответствовать мировому уровню исследований в данной области, что будет обеспечено коллаборациями с ведущими мировыми коллективами и подтверждено публикациями в высокорейтинговых журналах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде была выполнена комплексная исследовательская программа, направленная на создание теоретических и вычислительных моделей организации хроматина, экструзии когезина и многомасштабной динамики генома. Работа включала разработку новых аналитических подходов, проведение компьютерных моделирований, анализ экспериментальных данных Hi-C, Micro-C и live-cell микроскопии, а также создание современных методов машинного обучения для анализа структурных данных. 1. Аналитическая модель активной экструзии хроматиновых петель. Разработана полная кинетическая теория, описывающая образование и статистику петель при односторонней и двусторонней экструзии когезина. Получены аналитические распределения длин петель и зазоров, выявлены условия перехода от экспоненциальных к неэкспоненциальным формам распределений. Показано, что средняя длина петли и плотность препятствий определяют форму функции вероятности контакта P(s), используемой для интерпретации данных Hi-C. По результатам готовится публикация. 2. Теория короткомасштабного поведения P(s) и определение плотности петель в клетках. Построена аналитическая теория для малых геномных расстояний, учитывающая как петлевую архитектуру хроматина, так и конечный контактный радиус Hi-C. Установлено происхождение характерного минимума в логарифмической производной P(s) на масштабах десятков килобаз — он возникает вследствие совместного влияния петлевой структуры и разрешения Hi-C. На этой основе предложен новый метод определения линейной плотности петель когезина непосредственно из экспериментальных данных. Метод протестирован на данных с регулируемой деградацией когезина (Shah et al., 2025) и на данных с изменённым протоколом Hi-C (Oksuz et al., 2021), продемонстрировав высокую точность и воспроизводимость оценок. Полученный результат поддерживает гипотезу о преимущественно мономерном режиме экструзии когезина в интерфазных клетках. Публикация отправлена в журнал. 3. Моделирование хроматина в отсутствие когезина и согласование Hi-C/Micro-C данных. Проведено крупномасштабное моделирование расплава незаузленных кольцевых полимеров, служащего моделью хроматина без петель (до 5-10 Мб). Калибровка по данным Micro-C мышиных клеток позволила определить ключевые физические параметры: персистентную длину хроматина (~1.8 кб), длину зацепления (~100 кб) и эффективную линейную плотность. Показано, что различия между Hi-C и Micro-C объясняются величиной «эффективного рестриктного фрагмента» v₀, который в Micro-C меньше персистентной длины, что вызывает клиновидную форму лог-производной P(s). Этот результат обеспечивает универсальную базовую модель структуры хроматина без экструзии. Статья направлена в журнал. 4. Теория тройных контактов и информационный анализ контактных карт. Разработана полуаналитическая теория тройных контактов в модели фрактального полимера с петлями и проведён теоретико-информационный анализ карт контактов. Получены выражения для энтропии и взаимной информации между контактами, выявлены характерные осцилляции, связанные с периодичностью петлевой структуры. Эти результаты создают основу для количественной интерпретации данных single-cell Hi-C и определения параметров петлевой архитектуры на уровне отдельных клеток. Готовится публикация. 5. Разработка диффузионных генеративных моделей для анализа траекторий. Создан инструмент машинного обучения для генерации траекторий дробного броуновского движения, что позволяет воспроизводить статистику трёхмерных траекторий и карт расстояний для различных динамических режимов. Модели успешно прошли валидацию, результаты опубликованы в журнале Scientific Reports (2025). 6. Универсальные динамические свойства хроматина. На основе активного обобщённого уравнения Рауза–Ланжевена (A-GRLE) показано, что диффузия сегментов хроматина подчиняется универсальному закону D(s) ∼ 1/s, не зависящему от детали модели. Выведена поправка к двухточечной MSD, подтверждённая анализом данных микроскопии в живых клетках (Bruckner et al., Science 2023), что указывает на важную роль топологических ограничений в динамике хроматина. Результаты опубликованы в Physical Review Research (2025). Публикации и описания моделей размещены в открытом доступе: • https://github.com/kipolovnikov/loop-density-hic/tree/main • https://github.com/alobashev/fbm-inpainting-benchmark • https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/ms1q-z8zp • https://www.nature.com/articles/s41598-025-97893-5

Публикации

1. Лобашев А., Гуськов Д., Половников К.Е. Generative inpainting of incomplete Euclidean distance matrices of trajectories generated by a fractional Brownian motion Scientific Reports, Lobashev, A., Guskov, D., & Polovnikov, K. (2025). Generative inpainting of incomplete Euclidean distance matrices of trajectories generated by a fractional Brownian motion. Scientific Reports, 15(1), 19145. (год публикации - 2025)
10.1038/s41598-025-97893-5

2. К. Половников, М. Кардар Universal center-of-mass scaling shapes segment fluctuations and chromatin dynamics Physical Review Research, Polovnikov, K. E., & Kardar, M. (2025). Universal center-of-mass scaling shapes segment fluctuations and chromatin dynamics. Physical Review Research, 7(4), 043104. (год публикации - 2025)
10.1103/ms1q-z8zp