ИСТИНА

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.

Despite significant advances in genome sequencing over the past decades, it has become clear that the three-dimensional dynamic structure of the genome is no less important for understanding the functioning of living organisms. This is especially true for eukaryotic organisms, whose large genomes are compactly packed into cell nuclei. The nucleosome is the basic building block for DNA compaction in eukaryotes. Each nucleosome consists of histone proteins and about 200 base pairs of DNA. When packed into nucleosomes, the linear size of DNA is reduced by more than 6 times. Nucleosomes play a key role not only in DNA compaction, but are also directly involved in the regulation of processes associated with the work of the genome. The location of nucleosomes, their types and post-translational modifications of histones affect the levels of gene expression, replication and DNA repair processes. Changes in the binding of chromatin remodeler proteins and various transcription factors to nucleosomes can lead to pathological cell differentiation and tumor formation. Understanding the role of nucleosomes and their partners in the regulation of chromatin activity is key in determining the mechanisms of cell differentiation, ontogenesis, and pathogenesis. The dense packing of DNA on nucleosomes also hinders its accessibility not only for regulatory proteins, but also for genetic editing systems. For this reason, the study of the mechanisms of regulation of DNA compaction opens the way to the creation of improved tools for genomic and epigenomic editing. Recently, the number of available nucleosome structures and their complexes with regulatory proteins has significantly increased. By itself, the set of these structures contains a large amount of information about local changes at the level of single nucleosomes, but does not allow us to assess the role of these changes on the supranucleosomal scale. At the moment, only scattered parts of the pathways of regulation of chromatin function are known, which are not enough for a full understanding of the modulation of the structure and functions of chromatin. This project is devoted to the study of the influence of the mechanisms of epigenetic regulation on the structure and dynamics of nucleosomes and supranucleosomal structures using the methods of multiscale computer modeling and bioinformatics. The project consists of five complementary parts: 1) Study of the mechanisms of formation of nucleosome complexes with pioneer transcription factors (PTF), as well as the effect of PTF binding on the structure and dynamics of nucleosomes and chromatin in general; 2) Modeling the influence of histone tail dynamics (including modulation of dynamics due to post-translational modifications, PTM), nucleosomal DNA dynamics on the structure and regulation of chromatin functioning; 3) Bioinformatic analysis of the diversity of histone sequences and structures of nucleosomes with a variety of chromatin proteins; 4) Studies of protein-protein interactions of PTF with chromatin proteins to identify the regulatory network leading to a change in cell fate; 5) Creation of open and publicly available methodological and software for the implementation of chromatin modeling tasks. As a result of the project, new knowledge will be obtained in the field of interaction of nucleosomes and histones with PTF. The mechanisms of influence of histone tails on the regulation of chromatin functions will be determined. A methodological groundwork will be created for modeling disordered histone tails in nucleosomes. Hypotheses will be formulated to experimentally test the effect of histone PTMs, DNA sequences that can be experimentally tested. Research will be carried out by a qualified team of young scientists who publish in leading scientific journals, have international work experience, and extensive connections with experimental groups in their field. The results of the project will be in demand for understanding the fundamental mechanisms of chromatin regulation, with the prospect of applying the results in the field of biomedicine, personalized medicine and genome editing.