ИСТИНА

В последние годы было обнаружено, что хромосомное вещество в ядрах живых клеток (так называемый хроматин) упаковано в виде так называемой фрактальной (складчатой) глобулы. Это проект посвящен изучению структуры и динамики фрактальных глобул и того, к каким следствиям для функционирования хроматина в биологических системах (в частности – для регулирования транскрипции генов) приводят эти структурные и динамические свойства. Мы планируем изучить динамику субдифузионного движения мономеров в складчатой глобуле, времена первого достижения для этого субдиффузионного процесса (эти времена играют существенную роль в механизме включения и выключения транскрипции), упругие свойства глобулы. Особое внимание будет уделено вопросу о стабильности фрактального состояния и способам его дополнительной стабилизации, используемым природой в биологических системах. Будет также обсуждена возможность создания стабильных синтетических складчатых глобул.

В 2014 году работа велась, в основном, по трем направлениям: 1. Теория и компьютерное моделирование субдиффузионной динамики мономерных звеньев в складчатой (фрактальной) глобуле. В этой части нам удалось построить простую скейлинговую теорию, предсказывающую для динамики мономерного звена во фрактальной глобуле субдиффузионное движение со среднеквадратичным смещением <R^2>, зависящим от времени по закону <R^2> ~ t^a с показателем a примерно равным 0.4. Этот результат хорошо подтверждается проведенным нами компьютерным моделированием динамики фрактальных глобул, а также хорошо согласуется с экспериментальными данными по динамике систем, в которых, как предполагается, наблюдается фрактально-глобулярное состояние полимерных цепей (расплавы назацепленных кольцевых макромолекул, кольцевые молекулы хроматина в клетках бактерий, хроматин в интерфазных ядрах). Соответствующие результаты представлены для публикации в журнал Physical Review Letters и в данный момент находятся на рассмотрении в журнале. 2. Модель, качественно описывающая тонкую структуру экспериментальных Hi-C карт. Нам удалось показать, что комбинируя гипотезу о том, что хроматин имеет устойчивую гетерополимерную структуру (предполагается, что различие между типами звеньев связано в этом случае с различными внутренними состояниями белков, входящих в состав хроматина) и гипотезу иерархической упаковки цепи во фрактальную глобулу, можно на качественном уровне воспроизвести все основные свойства экспериментальна наблюдаемых Hi-C карт (карт, описывающих вероятность пространственного контакта между различными фрагментами генома). Эти типичные свойства включают спадание средней вероятности контакта в зависимости от геномного расстояния между фрагментами, приблизительно пропорциональное геномному расстоянию в степени -1; «шахматное» чередование фрагментов со сравнительно большей и сравнительно меньшей вероятностью контакта; элементы иерархической структуры типа матриц Паризи вблизи диагонали (при малом геномном расстоянии между фрагментами); разделение цепи на крупномасштабные топологические домены. При этом оказывается, что отдельные реализации укладки полимерной цепи обладают типичной иерархической структурой, а более сложная тонкая структура карт возникает при усреднении по многим различным способам укладки. Соответствующие результаты представлены для публикации в журнал Soft Matter, статья принята к печати. 3. Компьютерное моделирование коллапса одиночной полимерной цепи в плохом растворителе. Показано, что при коллапсе одиночной цепи складки разных размеров формируются последовательно, но малые складки нестабильны и быстро формируют «блобы» с гауссовой статистикой, таким образом на всех промежуточных временах структура цепи является промежуточной между фрактальной и равновесной глобулой. Соответствующие результаты опубликованы в виде статьи журнале Journal of Chemical Physics.