ИСТИНА

Несмотря на успехи в секвенировании геномов, за последние десятилетие стало очевидным, что трехмерное устройство генома является не менее важным для понимания функционирования живых организмов чем последовательность ДНК. Данная работа посвящена исследованию структуры и динамики хроматина на разных масштабах методами молекулярного моделирования. Ключевые слова: хроматин, нуклеосома, молекулярное моделирование, молекулярная динамика. Геномная ДНК в ядре эукариотической клетки вместе с совокупностью ядерных белков формирует хроматин. Устройство хроматина обеспечивает плотную упаковку генетического материала, несмотря на которую в хроматине проходят процессы транскрипции, репликации и репарации ДНК. На уровне хроматина реализовано множество механизмов эпигенетической регуляции транскрипции генов, которые значительно влияют на экспрессию генов и как следствие управляют функционированием клеток и организмов. Понимание принципов устройства и регуляции хроматина является одной из наиболее актуальных научных проблем молекулярной биологии. Хроматин по своей природе мультимасштабен. На самом первом уровне организации, упаковка ДНК осуществляется за счет формирования нуклеосом - частиц, размером порядка 10 нм. Компактная часть нуклеосомы состоит из 145-147 пар оснований ДНК обернутых вокруг гетеро-октамера гистонов. Нуклеосомы на нити ДНК формируют фибриллы и в конечном счете позволяют упаковать ДНК в плотные хромосомы, формирующиеся во время клеточного деления. Однако конкретное устройство промежуточных уровней организации неясно. На данный момент представление об уровнях организации хроматина интерфазной клетки отошло от классической “детерминированной” модели хроматина, в которой хроматиновые нити формируют 30-ти нанометровые фибриллы с последующей упаковкой таких фибрилл в петли. Хроматин постоянно изменяется и перестраивается, что дополнительно усложняет его изучение. Сложность изучения хроматина также обусловлена методическими ограничениями. Для изучения одиночных нуклеосом применяется весьма широкий набор методов структурной биологии от рентгеноструктурного анализа и криоэлектронной микроскопии до ядерно-магнитного резонанса, Фёрстеровского резонансного переноса энергии. Однако все эти методы поодиночке не позволяют сформировать полную картину устройства и функционирования нуклеосом. Методы молекулярного моделирования и структурной биоинформатики позволяют дополнить, интегрировать и валидировать разнородную информацию, полученную из экспериментов. Так моделирование методом молекулярной динамики позволяет исследовать конформационные ансамбли макромолекул, основываясь на стартовой экспериментальной структуре. Моделирование в огрубленном представлении позволяет интегрировать результаты методов молекулярной динамики (МД) и крупномасштабных экспериментов для того, чтобы получить структурную интерпретацию этих исследований. Мультимасштабное моделирование позволяет объединять подходы к моделированию, для интерпретации экспериментальных результатов. Исследование нуклеосом и более крупных элементов хроматина методом полноатомной молекулярной динамики стало возможным относительно недавно. Современные вычислительные системы на основе графических ускорителей позволяют достигать скорости моделирования порядка 40 нс в сутки расчета. Нами были рассчитаны траектории МД продолжительностью до 14 мкс, для нескольких разных нуклеосом. Расчеты такой продолжительности были осуществлены с использованием СК Ломоносов 2. Данные расчеты позволили продемонстрировать влияние разупорядоченных хвостов гистонов на процесс откручивания ДНК от нуклеосом, а также пролили свет на процесс транслокации ДНК в нуклеосоме. Мы экстраполировали результаты моделирования с атомарным масштабом и показали как гистоновые хвосты влияют на жёсткость хроматиновых фибрилл (цепочек нуклеосом). Также путем продолжительной МД мы показали, что локальная транслокация ДНК в нуклеосоме связана с деформацией гистонов в нуклеосоме. Методом МД мы также смогли продемонстрировать влияние аминокислотных замен (для гистона H2A.Z) на подвижность гистонов и их взаимосвязь с динамикой ДНК. Методами огрубленного моделирования на масштабе цепочек нуклеосом мы смогли предложить подход к обработке данных MNa-seq для уточнения положений нуклеосом на хроматиновых фибриллах. Доступные на данный момент вычислительные мощности не позволяют достигать биологически-значимых времен моделирования для таких крупных макромолекул как нуклеосомы. Моделирование цепочек нуклеосом или целых фрагментов хроматина еще более затруднено. Однако темпы роста производительности, вместе с появлением новых методик моделирования дают надежду на построение моделей устройства хроматина, проясняющих механизмы его работы