Руски учени разкриха нови механизми за включване и изключване на гени

Учени от Московския държавен университет „Ломоносов“ са открили нови механизми за включване и изключване на гени, като са симулирали движението на ДНК в генома на атомно ниво. Те са осъществили това със суперкомпютъра „Ломоносов – 2“, а резултатите от изследването им са публикувани в списание Nature Communications.

Екипът, който включва учени и студенти от биологическия и физическия факултети, е изследвал детайлно как ДНК веригите се движат във вътрешността на протеиновите опаковки в ядрата на клетките.

Изследването

Екипът, чийто ръководител е Алексей Шайтан (на снимката), идентифицира няколко механизма, които контролират четливостта на гените. В хода на изследването те изчисляват на атомно ниво как се променя положението на ДНК веригата вътре в клетъчното ядро. Чрез компютъра „Ломоносов – 2“ пресмятат каква е реакцията на хистоните към навитата около тях ДНК за 15 микросекунди и така проследяват как ДНК веригата се отделя от протеините, как структурата й се променя и нейната повторна връзка с протеиновите намотки.

Става ясно, че изключително голяма роля за активността на гените играе така нареченото „дишане“ на ДНК, което представлява част от процеса на пренавиване на нуклеотидни вериги върху хистони.

Биолозите успяват да идентифицират онези части от протеиновите намотки, отговорни за работата на „дишането“. Разбрали са и как особеностите на тяхната структура влияят върху честотата на ДНК връзките.

Алексей Шайтан, който е водещ изследовател в Катедра „Биоинженерство“ в Биологичния факултет на Московския държавен университет, обяснява, че всяка жива клетка решава постоянно кои генетични конструкции да чете в момента. Това е избор на молекулярно ниво и е резултат от сложните взаимодействия между молекулите. „Колко лесно ще бъде прочетен определен ген се определя от физическите закони, от взаимодействията на атомите на ДНК молекулата с атомите на протеина, свързани с нея“, казва специалистът.

Академик Михаил Кирпичников (на снимката долу), който е част от екипа и е декан на биологическия факултет, споделя, че учените все още не разбират как молекулярните механизми четат текста от нуклеотидите. Да се разбере логиката на тяхното четене е първостепенна задача за съвременната биология. Иначе, казва академикът, човешкият геном е прочетен и дешифриран отдавна и ние знаем всички 3 милиарда нуклеотида, които го съставят.

Учените припомнят, че всяка клетка в човешкото тяло съдържа идентична генетична информация, която е кодирана под формата на химичен шифър от нуклеотиди в гени на ДНК молекула. Една ДНК молекула е нишка, дълга колкото човешки ръст. Вътре в клетката тази дълга нишка е опакована в специален контейнер – ядро с диаметър една десета част от дебелината на косъма.

Специални протеини, наречени хистони, помагат за опаковането на дългата молекула на ДНК в компактно ядро, върху което ДНК се навива по специален начин, както конец се навива на макара. Опакованата ДНК изглежда като поредица от множество навити намотки. Всяка отделна единица хроматин, намотка с парче ДНК, навита около нея, се нарича нуклеозома.

За да научат как точно се движи ДНК в нуклеозомата учените симулират молекулярната динамика на нуклеозомите на атомно ниво със суперкомпютъра „Ломоносов – 2“. Правят го рекордно дълго време за компютърни симулации – 15 микросекунди. Така компютърът е действал като вид изчислителен микроскоп, което позволява да бъдат изследвани механизмите на движение на ДНК в генома.

В работата са използвани изчисления на системи с размер няколко стотин хиляди атома. Алгоритъм на програмата е трябвало да изпълни около 10 милиарда стъпки. Симулацията на всяка система е отнела около 250 дни непрекъснато изчисление. Това е станало благодарение на бързото развитие на технологиите за паралелни изчисления на суперкомпютър, като се използват графични процесори.

Директорът на Изследователския изчислителен център на Московския държавен университет, Владимир Воеводин, споделя, че адаптацията на изчислителните алгоритми за изчисления на графични процесори и нарастването на изчислителната мощност на суперкомпютърните системи отварят качествено нови възможности за изследване в областта на молекулярното моделиране. Настоящите изследвания са показали, че скоростта на изчисленията с „Ломоносов – 2“ се е увеличила пет пъти.

Резултатите

В получения модел учените наблюдават как ДНК се отвива от нуклеозомата. Записват настъпилите в този период деформации на ДНК, като позволяват на молекулата да се плъзга по протеиновото ядро. Алексей Шайтан разяснява, че двойната спирала на ДНК е като винт и той може едновременно да се плъзга и да се превърта по повърхността на протеина. Екипът успява да покаже, че този процес преминава на етапи заради локалните деформации на ДНС и хистоновите протеини.

Учените откриват протеинов закрепващ елемент, който държи ДНК усукана и улавя размотаната ДНК. Част от работата е посветена на прогнозирането на формата и дължината на хроматиновите нишки, образувани от нуклеозоми в различни разгънати състояния.

Изследването има важен принос за дешифрирането на механизмите на функциониране на генома. Григорий Армеев, старши изследовател в Биологическия факултет и част от екипа, казва: „Като използвахме методи за многомащабно моделиране, ние успяхме да покажем, че ДНК дишането в нуклеозомите може значително да повлияе на структурата на хроматина“.

Алексей Шайтан и колегите му се надяват, че резултатите от работата им ще помогнат за по-точна прогноза как промените в структурата на ДНК обвивката ще повлияят на активността на различните гени. Специалистите насочват вниманието към факта, че развитието на рак и на различни вродени заболявания е свързано с нарушения във функционирането точно на механизмите за опаковане и разопаковане на ДНК.