Статистическая теория структуры хроматина тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.06, кандидат наук Назаров, Леонид Игоревич

• Назаров, Леонид Игоревич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Назаров, Леонид Игоревич

Введение

Глава 1. Обзор литературных данных, используемых в диссертации

1.1. Пространственная организация генома эукариот

1.1.1. Мультимасштабная структура хроматина

1.1.2. Современные представления о внутриядерной архитектуре

1.1.2.1. Методики исследования внутриядерной организации

1.1.2.1.1. Метод флуоресцентной гибридизации (FISH)

1.1.2.1.2. Методы конформационного захвата хромосом (Hi-C)

1.1.2.2. Территориальная организация хроматина

1.1.2.3. Объемная структура отдельных хромосом

1.1.3. Динамика хроматина

1.1.4. Выводы

1.2. Состояния полимерной цепи

1.2.1. Переход клубок-глобула

1.2.2. Складчатая глобула

1.2.3. Природа формирования состояния складчатой глобулы

1.2.3.1. Быстрый коллапс макромолекулы

1.2.3.2. Пространство-заполняющие кривые

1.2.3.3. Расплав незацепленных колец

1.2.3.4. Модель переключающихся связей

1.2.4. Динамика полимерной цепи

1.2.4.1. Модель Рауза

1.2.4.2. Модель Зима

1.2.4.3. Теория рептаций

1.2.4.4. Динамика расплава закольцованных полимеров

1.2.5. Метод диссипативной динамики частиц

Глава 2. Складчатая глобула, как результат иерархической конденсации полимера

2.1. Введение

2.2. Тонкая структура карт внутрицепных контактов хромосом эукариот

2.3. Иерархическое складывание диблок-сополимера

2.3.1. Формирование иерархической структуры складчатой глобулы

2.3.2. Карты контактов как результат усреднения по ансамблю

2.4. Результаты и обсуждение

Глава 3. Генерация и спектральный анализ компактных полимерных структур

3.1. Введение

3.2. Методы генерации компактных полимерных структур

3.2.1. Метод конформационно-зависимого синтеза

3.2.2. Метод построения полимерных колец на решеточных животных

3.2.3. Метод передачи цепи

3.3. Выявление топологических доменов по данным о колокализации сети

3.3.1. Детектирование иерархической организации доменов макромолекул

3.3.2. Спектральный анализ матриц связности полимерных систем

3.4. Результаты и обсуждение

Глава 4. Динамика полимерной структуры произвольной фрактальной размерности

4.1. Введение

4.2. Движение мономера в глобулярном состоянии полимера

4.3. Скейлинговая теории диффузии мономеров в полимерных структурах произвольной фрактальной размерности

4.4. Моделирование диффузии в полимерных расплавах

4.5. Результаты и обсуждение

Глава 5. Модель адсорбции сополимера на одномерной подложке

5.1. Введение

5.2. Модель конденсации гетерополимера на одномерную подложку

5.3. Конденсация как случайное блуждание по прямой с ассимилирующими метками

5.4. Результаты и обсуждение

Основные результаты и выводы

Благодарности

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Статистическая теория структуры хроматина»

Введение.

Проблема упаковки генетического материала в ядрах эукариотических клеток на сегодняшний день является одной из центральных проблем молекулярной биологии. Вопрос, поставленный перед современной наукой, не ограничивается исследованием способа локализации молекулы длиной порядка нескольких метров в крошечном объеме в несколько тысяч кубических микрон, искомая структура, наряду с компактностью, должна обладать широким набором свойств, необходимых для поддержания биологических функций клетки.

Стоит отметить, что структура хроматина крайне динамична, его состояние в конкретный момент времени зависит, главным образом, от фазы клеточного цикла. Отмечу, что в рамках текущей работы внимание акцентировано на интерфазном состоянии макромолекулы. В период интерфазы клетка подготавливается к процессу деления, фаза является наиболее длительной; хромосомы находятся в набухшем состоянии и занимают большую часть объема ядра [ 1].

Известно, что пространственная организация хроматина внутри ядра -территориальная [2-4], структура является слабо заузленной во время подготовки к делению клетки [1]. Отдельные участки хромосомы могут легко деконденсироваться от общего объема, а затем возвращаться в глобулярное состояние; также установлено, что взаимодействующие функциональные элементы хромосомы, удаленные вдоль по цепи, тратят на диффузионный поиск друг друга относительно небольшое время, как, например, в случае энхансер-промоторного взаимодействия [5-7]. Перечисленные свойства не характерны для равновесной глобулы - компактного состояния макромолекулы, известного из классической полимерной физики [8,9]. Действительно, структурные особенности равновесной глобулы препятствовали бы выполнению биологически значимых функций за требуемые временные интервалы [10]. В то же время, предположение о том, что структура, в которой находится хроматин, отлична от равновесной, порождает вопросы о механизмах её стабилизации. В качестве теории, способной на качественном уровне объяснить внутриядерные процессы, связанные с пространственной реорганизацией хромосом, была предложена гипотеза об упаковке хроматина в состояние складчатой глобулы (или фрактальной глобулы) [11].

Состояние складчатой глобулы имеет удобные в биологическом смысле функциональные особенности и может наблюдаться в реальных системах как результат быстрого полимерного коллапса [12,13]. Структура характеризуется высокой

компактностью, мультимасштабной доменной организацией и отсутствием топологических зацеплений, что способствует повышенной мобильности субцепей. Складчатая глобула - это метастабильное состояние, медленно релаксирующее к равновесной за счет самодиффузии внутри структуры, а также динамики свободных концов цепи. Время релаксации определяется, главным образом, размером молекулы и изменяется с увеличением количества мономеров как ~ N . Для полимерной цепи, имеющей размер, сопоставимый с размером хромосомы, оценка времени релаксации дает величину порядка нескольких сотен лет [10,13]. Необходимо отметить, что некоторые статистические свойства складчатой глобулы наблюдаются для макромолекул в расплаве незацепленных полимерных колец [14-16].

В настоящее время интерес ученых из многих областей к данной теме обусловлен развитием экспериментальных технологий по исследованию генетического материала, за последние десятилетия были получены колоссальные объемы информации о структурных особенностях хромосом. Наиболее эффективными оказались метод конформационного захвата хромосом Hi-C, используемый для сбора данных о пространственной локализации участков генома [17-22] и метод флуоресценной гибридизации "FISH" (Fluorescence In Situ Hybridization), позволяющий измерить размер пространства, занятый сегментом цепи, как функцию его длины [23-28]. Экспериментальные данные дали возможность количественно описать свойства упаковки хроматина. Было показано, что наблюдаемая структура по статистическим характеристикам, как и предполагалось, далека от конформации равновесной полимерной глобулы и, с хорошей точностью, совпадает с характеристиками складчатой глобулярной структуры.

Одной из экспериментально измеренных статистик является характер зависимости вероятности пространственного контакта между двумя сегментами макромолекулы от расстояния между ними вдоль по цепи, определяемый с помощью метода Hi-C. Полученные результаты показали степенной закон уменьшения вероятности пространственного контакта между двумя мономерами по мере роста расстояния между ними вдоль по цепи со степенью у в диапазоне между -1.0 и -1.1 для различных организмов [29-32] (в то время, как в равновесной глобуле параметр у =-1.5). Исследование динамических свойств хромосом проводилось по средствам наблюдения за маркированными флуоресцентными метками участками макромолекул [33-36]. Отмечу, что и в этом исследовании диффузионный режим не соответствовал

равновесной глобуле. Теория, позволяющая дать оценку режиму движения в складчатой

глобуле, будет впервые предложена в рамках текущей работы.

В настоящей работе впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты:

1. Создана статистическая модель, описывающая тонкую структуры карт внутри-хромосомных контактов, полученных методом И-С. Модель базируется на иерархической конденсации гетерополимера со случайным распределением звеньев разных типов вдоль цепи. Показано, что существование фиксированной первичной структуры наряду с иерархическим характером коллапса цепи может объяснить особенности, наблюдаемые на экспериментальных И-С картах: иерархические блоки; чередование участков с повышенной и пониженной интенсивностями цвета; крупномасштабную компартментализацию; зависимость вероятности контакта от расстояния между звеньями вдоль по цепи.

2. Разработан алгоритм генерации структуры, подобной складчатой глобуле, основанный на случайном блуждании без самопресечений с искусственно введенным коротким взаимодействием блуждателя с собственным следом. Показана эффективность данного алгоритма в сравнении с существующими методами, а также продемонстрировано, что статистические свойства получаемых структур не зависят от размера систем и близки к свойствам динамически сколлапсированных полимеров.

3. Построена качественно новая скейлинговая теория диффузионного движения в полимерных системах произвольной фрактальной размерности. Применяя результаты теории к состоянию складчатой глобулы, мы спрогнозировали режим диффузионного движения мономера, входящего в состав структуры, согласно нашей теории, среднеквадратичное смещение мономера описывается законом <(АЯ)2> ~ / 2/5. Результат был подтвержден нами в рамках численного моделирования динамики полимерного расплава (с помощью метода диссипативной динамики частиц). Необходимо подчеркнуть, что полученный режим диффузионного движения с хорошей точностью описывает диффузию, наблюдаемую в реальных клетках.

4. Предложен алгоритм анализа доменной организации компактных полимерных систем по матрице внутрицепных контактов, основанный на комплексной теории сетей. Алгоритм позволяет выявить иерархические доменные организации, основываясь на бинарной матрице контактов, построенной для отдельно взятой упаковки полимера.

5. На основе модели блуждания по дискретной прямой с переменным характером взаимодействия ячеек подложки с блуждателем построена модель одномерной

упаковки гетерополимера. Процесс конденсации может быть редуцирован к случайному блужданию в пространстве с подвижными препятствиями и применен для описания упаковки молекул нуклеиновых кислот в вирусных капсидах. В рамках данной работы изложение построено следующим образом. В главе 1 будет проведен краткий очерк литературных данных по затрагиваемым в диссертации темам. Раздел 1.1 посвящен биологическим аспектам проблемы упаковки генетического материала в ядре, в нем будут подробно рассмотрены текущие знания о клеточных процессах, имеющих отношения к способу компактизации хромосом. Раздел 1.2 содержит современные представления полимерной теории о структурных особенностях глобулярных состояний макромолекул. Главы 2-5 посвящены изложению оригинальных результатов диссертации. В главе 2 будет представлена разработанная нами статистическая модель иерархической конденсации гетерополимера, позволяющая описать особенности тонкой структуры карт внутри-цепных контактов эукариотических хромосом. Глава 3 посвящена описанию разработанных нами методов получения конденсированных полимерных состояний, в частности, предложен метод конформационно-зависимого синтеза складчатой глобулы; приведен анализ статистических и динамических свойств получаемых структур. Также в рамках главы 3 будет предложен метод анализа внутренней доменной организации полимерной системы по картам внутрицепных контактов. В главе 4 мы предлагаем новый подход к описанию динамики полимерных систем, на базе которого нами была разработана скейлинговая теория, описывающая диффузионный режим движения в полимерных структурах произвольной фрактальной размерности. Прогнозы теории подтверждаются результатами масштабного численного эксперимента, проведенного для систем, сгенерированных с использованием алгоритмов, предложенных в главе 3. В главе 5 мы вводим простейшую модель блуждания по одномерной подложке, реагирующей на контакт с блуждателем, и демонстрируем, как введение локального взаимодействия в модель гетерополимерной конденсации может привести глобальной оптимизации системы, в частности, к воспроизводимому складыванию при сохранении первичной структуры цепи.

Глава 1. Обзор литературных данных, используемых в

диссертации.

1.1. Пространственная организация генома эукариот

Молекулярная биология на сегодняшний день является одной из наиболее динамично развивающихся областей науки. Главным образом, прогресс связан с интенсивным развитием экспериментальных методик, позволяющих пролить свет на пространственную организацию генетического материала живой клетки. Наиболее эффективными оказались методы флуоресцентной гибридизации (FISH) и конформационного захвата хромосомы (Hi-C), которые не только изменили представление об объемной организации интерфазного хроматина, но и пролили свет на динамические свойства структуры. Базируясь на хорошо известных представлениях о локальной структуре ДНК-белковых комплексов, данных о дальних взаимодействиях между функциональными участками хромосом и доказанной экспериментально территориальной организации хроматина, был сделан вывод, что наиболее подходящей моделью, описывающей объемную структуру ДНК эукариот, является модель складчатой (или фрактальной) глобулы. Существование данного состояния также подтверждается исследованиями диффузионного движения участком хромосом в клетке. В данной главе будет приведен обзор механизмов компактизации ДНК от самого низкого уровня (двойной спирали), до относительного пространственного расположения целых хромосом; будут рассмотрены современные экспериментальные данные об объемной архитектуре хроматина и выводы, к которым они привели.

1.1.1. Мультимасштабная структура хроматина

Геном эукариотической клетки разделен на хромосомы, плотно упакованные в объеме ядра. Суммарная длина хромосом в вытянутом состоянии достигает около 2 метров, объем ядра, при этом, имеет несколько мкм в диаметре. В этом разделе будут обсуждены современные представления о механизмах, позволяющих молекуле ДНК конденсироваться столь эффективно.

Хроматин - это комплекс молекулы ДНК и белков, имеющий многоуровневую организацию, как показано на Рис. 1.1. Структура хроматина, главным образом, зависит от стадии клеточного цикла: в интерфазе (период клеточного роста) хроматин максимально организован, эта фаза составляет большую часть клеточного цикла, в этот

период клетка подготавливается к делению. Интерфаза содержит три стадии: фаза начального роста G1, сопровождающаяся синтезом мРНК, белков и ростом клетки; S-фаза, в которой происходит репликация молекулы ДНК; G2-фаза (или предмитотический период) сопровождается синтезом белка, в том числе участвующего в формировании нити веретена деления. За интерфазой следует фаза митоза, в которой осуществляется деление клетки, в этот период интерфазные хромосомы подвергаются десятикратному уплотнению, так что становятся заметными в световой микроскоп. Необходимо заметить, что рассуждения и модели, предложенные в рамках данной работы, будут строиться для интерфазного хроматина эукариотических организмов [1].

Рис. 1.1. Мультимасштабная структура ДНК эукариотических клеток.

На низшем уровне молекула ДНК эукариот имеет структуру двойной спирали, которая плотно наматывается на специальные белковые формирования (гистоновые белки). Соединения стабилизируются за счет водородных связей, гидрофобных взаимодействий, а также образования солевых мостиков [37]. Комплекс сегмента молекулы ДНК с гистоновым октаномером называется нуклеосомой. Важно, что связывание молекулы ДНК с гистонами происходит независимо от последовательности нуклеотидов, а значит, нуклеосома может быть сформирована на произвольном участке макромолекулы; главным образом, локализация нуклеосом по длине молекулы определяется наличием других, негистоновых, ДНК-связных белков [37-39]. Участки

ДНК между нуклеосомами называются линкерными и имеют средний размер порядка 150 нуклеотидных пар, что сопоставимо с персистентной длиной молекулы. Это означает, что нуклеосомная структура, в отсутствии дополнительных взаимодействий, сохраняет гибкость, близкую к гибкости свободной ДНК. Однако активность ДНК-связных белков оказывает существенное влияние на локальную структуру хроматина, как результат, линейная концентрация нуклеосом вдоль цепи может быть как крайне высокой, так и весьма разряженной. За перемещения нуклеосом вдоль ДНК ответственны специальные ДНК-связные белковые комплексы, работающие за счет энергии, выделяемой при гидролизе АТФ. Они способны осуществлять быстрые нуклеосомные перестройки, ослабляя связь молекулы ДНК с белковым стержнем, это приводит как к перемещению нитей ДНК по стержням нуклеосом, так и к полному извлечению стержня с целью сделать молекулу доступной для клеточных белков (также происходят ситуации с заменой части гистонового октаномера). Важно, что компактность упаковки регулируется не только за счет активности белковых комплексов перестройки хроматина, важную роль также играют взаимодействия между гистонами, которые, способны, в зависимости от собственно состояния, притягиваться и отталкиваться друг от друга, регулируя как относительное пространственное расположение нескольких хромосом, так и локальную плотность упаковки хроматина [40]. Помимо стержневых гистонов в клетке присутствует и специфический гистон Н1, который связывается и с ДНК, и с октаномером, есть предположение, что, взаимодействуя с несколькими нуклеосомами, гистон Н1 регулирует направление линкерных участков ДНК, что приводит к образованию следующего уровня упаковки генетического материала - 30нм хроматиновых фибрилл [37]. Важно отметить, что формируемая таким способом структура не является консервативной, в результате постоянной белковой активности и динамичных перестроек генома, хроматин одновременно содержит регионы нескольких типов: открытое ДНК (участки ДНК, свободные от нуклеосом), участки, где положение нуклеосом жестко фиксировано (например, места начала транскрипции), а также участки, в которых нуклеосомная укладка зависит белков, инициирующих ремоделирование хроматина. Это позволяет регулировать активность транскрипции за счет образования открытого ДНК; подобные пространственные перестроения играют ключевую роль в важнейших процессах клеточного цикла, таких как транскрипция, репликация и экспрессия генов.

Крупномасштабная организация хроматина на сегодняшний день является предметом множества дискуссий [41]. Динамичность геномных реорганизаций и

зависимость структуры от огромного набора факторов, таких как фаза клеточного цикла и ярко выраженная реакция на сторонние воздействия, делают исследования в этой области сложнейшей задачей, как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Однако именно пространственное устройство генома на высоком уровне играет важнейшую роль в клеточных процессах. Даже упакованная в 30 нм фибриллу, молекула ДНК, конденсируясь в объем ядра размером порядка 10 мм, должна быть сложена еще, примерно, в 100 раз. Требования к итоговой структуре при этом не ограничиваются одной лишь компактностью, для выполнения биологических функций организация хроматина должна способствовать таким процессам, как быстрый диффузионный поиск белками регуляторами соответствующих функциональных элементов макромолекулы, причем, в случае некоторых взаимодействий необходима не только локализация белка и требуемого региона ДНК, но и пространственная близость белкового комплекса к нескольким сегментам цепи одновременно.

Было показано, что упаковка хромосом эукариот способствует образованию петель в широком диапазоне масштабов: как коротких [5,42,43], размера порядка нескольких тысяч нуклеотидных пар, так и весьма крупных, как, например, происходит в случае взаимодействия энхансера и промотора [6,44], когда два сегмента ДНК, вовлечены в единый процесс, требующий их пространственной близости, но при этом расстояние между ними вдоль по цепи может достигать нескольких сотен килобаз1) [1]. Более того, наряду с экспериментально показанным обилием петель, структура не должна препятствовать процессу деконденсации отдельных сегментов цепи, что является важнейшей частью процесса регуляции генной экспрессии.

1.1.2. Современные представления о внутриядерной архитектуре

Текущие представления о пространственной архитектуре хроматина на крупных масштабах базируются, главным образом, на результатах FISH и Hi-C экспериментов. Количественные характеристики структур, полученные при применении данных методов к геномам человеческих клеток, показали неожиданные результаты, оказалось, что хромосомы по статистическим свойствам близки к состоянию складчатой (фрактальной) глобулы, метастабильной конформации полимерной цепи. Более подробно его особенности будут раскрыты в разделе 1.2. В рамках текущего раздела будет проведен обзор современных методов исследования объемной структуры генома,

1 килобаза (Кб) - единица измерения длины нуклеиновых кислот, равная 1 тыс. нуклеотидных пар

будут приведены результаты применения этих методов к эукариотическим хромосомам, а также описаны основные гипотезы, предложенные на основе данных результатах.

1.1.2.1. Экспериментальные методы исследования внутриядерной организации 1.1.2.1.1. Метод флуоресцентной гибридизации (FISH)

Метод флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) применяется для маркировки отдельных локусов с целью наблюдения за их собственной пространственной локализацией или перемещениями друг относительно друга [45]. Впервые метод использовался в биомедицинских исследованиях в начале 80ь1х годов с целью обнаружения специфических сегментов ДНК на хромосомах [46]. Процесс подготовки хромосомы к исследованию описан на Рис. 1.2 и состоит из следующих стадий:

1) синтез ДНК-проб (флуоресцирующих меток), представлен на Рис. 1.2а - Рис. 1.2в;

2) маркировка хромосом, представлена на Рис. 1.2г - Рис. 1.2д.

Рис. 1.2. Процесс маркировки хромосом флуоресцирующими элементами. На рисунке изображены 5 стадий процесса: (а) синтез двуцепочечных ДНК-проб, подходящих для связывания с конкретными хромосомными регионами; (б) лигирование флуоресцирующих элементов и ДНК проб; (в) разделение компилименарных оснований в ДНК-пробах; (г) разделение комплиментарных нитей исследуемой макромолекулы; (д) синтез посредством лигирования флуоресцирующих комплексов и комплиментарных участков макромолекулы (голубым цветом отмечены нити исследуемой хромосомы; красным цветом отмечены ДНК-пробы, комплиментарные к последовательностям исследуемой хромосомы; голубыми кружками отмечены молекулы флуорофора).

В методе используются специальные ДНК-пробы, связывающиеся с комплиментарными мишенями исследуемого образца. ДНК-проба состоит из сегмента связывания, определяющего локусы, к которым будет присоединяться проба, и

флюорохора. В результате, за перемещением маркеров можно следить с помощью флуоресцентного микроскопа сразу после гибридизации [27,47].

FISH метод имеет весомый набор ограничений на спектр применимости: во-первых, он позволяет отследить только отдельно взятые наборы локусов, небольшое количество клеток; во-вторых, фотографии, сделанные с его помощью, обладают невысоким разрешением (дифференцировать пару маркированных локусов возможно только если они находятся на расстоянии порядка 105 нуклеотидных пар), что существенно усложняет изучение с его помощью организации отдельно взятых хромосом, однако, FISH эксперименты оказались весьма полезными в плане демонстрации глобальной доменной организации генетического материала внутри ядра.

1.1.2.1.2. Методы конформационного захвата хромосом (Hi-C)

Метод захвата хромосомной конформации применяется для получения данных о пространственной близости сегментов макромолекулы. Метод дает возможность количественно оценить вероятность пространственного контакта субцепей исследуемых образцов, на основе матрицы внутри-цепных контактов, а также дает представление об организации их доменной структуры. Одна из наиболее популярных вариаций метода представлена на Рис. 1.3.

Рис. 1.3. Процесс формирования кольцевых продуктов из ковалентно сшитых соседних в пространстве участков ДНК в рамках Ш-С эксперимента. На рисунке приведены три стадии процесса: (а) образование Х-образных комплексов при добавлении формальдегидов; (б) расщепление цепи под действием рестрикционных ферментов; (в) внутримолекулярное лигирование.

Существует несколько экспериментальных техник захвата хромосомной конформации различных по сложности и эффективности:

• 3C (Chromosome Conformation Capture) - метод, позволяющий оценить частоту контактов между двумя определенными регионами цепи ДНК. Приготовление продуктов для количественного анализа с использованием ПЦР (Полимеразной Цепной Реакции) состоит из следующих стадий [29]:

1) X-образное сшивание

добавление формальдегидов, приводящее к сшиванию сегментов одной или нескольких полимерных цепей к белкам за счет образования ковалентных связей между аминогруппой белка и нукленовой кислотой; последующая сшивка белков друг с другом приводит к образованию X-образных комплексов из пространственно локализированных сегментов ДНК

2) фрагментация ДНК

расщепление полимерной цепи на специфические сайты под воздействием рестрикционных ферментов. Действие ферментов чувствительно к нуклеотидному составу молекулы и приводит к расщеплению молекулы в местах с определенным нуклеотидным составом, как следствие, одинаковые по нуклеотидному составу последовательности ДНК расщепляются на одинаковые по размеру сегменты

3) внутримолекулярное лигирование

сшивание фрагментов ДНК в условиях низкой плотности (для уменьшения вероятности сшивки концов молекул, принадлежащим различным X-образным комплексам - концентрацию ДНК предварительно понижают)

4) разрушение X-образных комплексов

повышение температуры приводит к разрушению белок-белковых связей (X-образных сшивок), стабилизирующих X-образные комплексы, образованные в процессе (1)

5) обработка результатов

для оценки частоты образования контактов между конкретными сайтами молекулы, лигированные фрагменты ДНК анализируют с помощью ПЦР с участием праймеров, специфичных для двух отдельно взятых локусов. Как результат, данная методика количественно характеризует лишь частоту контакта двух заданных наперед регионов молекулы.

• 4C (Circularized Chromosome Conformation Capture) - модификация метода 3C, дающая информацию о контакте конкретного хромосомного локуса со всеми остальными [48,49]. Отличие от 3C метода заключается в повторной фрагментации ДНК, с последующей циклизацией лигированного ДНК комплекса. В результате, праймеры ПЦР специфичны лишь для исследуемого локуса, вне зависимости от фрагмента цепи, с которым он контактирует, что позволяет количественно оценить контакты выбранного локуса с любым другим сегментом молекулы при помощи технологии ДНК-микрочипов.

• 5C (Carbon-Copy Chromosome Conformation Capture) - еще одна вариация метода 3C, позволяющая одновременно анализировать взаимодействие сразу нескольких участков цепи [19]. Отличие от методики 3C заключается в том, что вместо применения ПЦР на шаге (5), осуществляется лигирование универсальных праймеров ко всем продуктам (4) стадии процесса. Таким образом, любой ДНК комплекс, вне зависимости от локусов, входящих в его состав, может быть проанализирован с помощью ДНК-микрочипов за счет сшитого с ним праймер-маркера. Стоит отметить, что метод оказался неподходящим для построения полной матрицы взаимодействий в хроматине, ввиду того, что для этого бы потребовало огромного набор специфических праймеров [50]. Решить данную проблему помогла новая методика, получившая название Hi-C метод.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Назаров, Леонид Игоревич, 2017 год

Список литературы.

1. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, et al, Molecular Biology of the Cell, 5th edition, Garland Science, NY, (2008).

2. C. Rabl, Uber Zelltheilung, Morphologisches Jahrbuch, Gegenbaur C (ed) 10:214-330, (1885).

3. T. Cremer and C. Cremer, Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells, Nature review Genetics, 2, 292 (2001).

4. T. Cremer and M. Cremer, Chromosome Territories, Cold Spring Harb Perspect Biol., 2(3): a00389 (2010).

5. Mikhail A. Rubtsov, Yury S. Polikanov, Vladimir A. Bondarenko et al., Chromatin structure can strongly facilitate enhancer action over a distance, Proc Natl Acad Sci USA, 103(47): 17690-17695 (2006).

6. Swagatam Mukhopadhyay, Paul Schedl, Vasily M. Studitsky, and Anirvan M. Sengupta, Theoretical analysis of the role of chromatin interactions in long-range action of enhancers and insulators, Proc Natl Acad Sci USA, 108(50): 19919-19924 (2011).

7. A. Sanyal, B. R. Lajoie, Gaurav Jain, Job Dekker, The long-range interaction landscape of gene promoters, Nature, 489(7414): 109-113 (2012).

8. P.-G. de Gennes, Scaling Concepts in Polymer Physics, Cornell University Press, NY, 1979.

9. А..Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов, Статистическая физика макромолекул, Наука, 1989.

10. A. Rosa, R. Everaers, Structure and Dynamics of Interphase Chromosomes, PLoS Computational Biology, 4: 6 e1000153 (2008).

11. A.Y. Grosberg, Y. Rabin, S. Havlin, and A. Neer, Crumpled Globule Model of the Three-Dimensional Structure of DNA, Europhys. Lett. 23 373 (1993).

12. A.Yu. Grosberg, S.K. Nechaev and E.I. Shakhnovich, The role of topological constraints in the kinetics of collapse of macromolecules, J. de Physique 49, 2095 (1988).

13. L.A. Mirny, The fractal globule as a model of chromatin architecture in the cell, Cromosome Res. 19, 37 (2011).

14. M. Cates and J. Deutsch, Conjectures on the statistics of ring polymers, J. de Physique, 47, 2121 (1986).

15. Sakaue T, Ring Polymers in Melts and Solutions: Scaling and Crossover, Phys Rev Lett., 106, 167802 (2011).

16. Sakaue T, Statistics and Geometrical Picture of Ring Polymer Melts and Solutions, Phys. Rev. E, 85, 021806 (2012).

17. Job Dekker, Karsten Rippe, et al., Capturing Chromosome Conformation, Science 295, 1306 (2002)

18. Dostie J, Job Dekker, Mapping networks of physical interactions between genomic elements using 5C technology, Nat Protoc., 2(4): 988-1002 (2007).

19. Dostie J, T. Richmond, Job Dekker, et al., Chromosome Conformation Capture Carbon Copy (5C): A massively parallel solution for mapping interactions between genomic elements, Genome Res., 16(10): 1299-1309 (2006).

20. Miele A., Gheldof N., Dekker J., et al., Mapping Chromatin Interactions by Chromosome Conformation Capture, Curr Protoc Mol Biol., 21: Unit 21.11 (2006).

21. van Berkum NL, Dekker J., Determining Spatial Chromatin Organization of Large Genomic Regions Using 5C Technology, Methods Mol Biol, 567: 189-213 (2009).

22. van Berkum NL, Lieberman-Aiden E, Hi-C: A Method to Study the Three-dimensional Architecture of Genomes, Journal of Visualized Experiments, 39, e1869 (2010).

23. Bauman JG, Wieqant J, Borst P, van Duijn P, A new method for fluorescence microscopical localization of specific DNA sequences by in situ hybridization of fluorochromelabelled RNA, Exp Cell Res., 128(2): 485-490 (1980).

24. Arndt-Jovin DJ, Robert-Nicoud M, Kaufman SJ, Jovin TM, Fluorescnce Digital Imaging Microscory in Cell Biology, Science, 230: 4723 (1985).

25. van der Engh G, Sachs R, Trask BJ, Estimating Genomic Distance from DNA Sequence Location in Cell Nuclei by a Random Walk Model, Science, 257: 1410-1412 (1992).

26. Levsky JM, Singer RH, Fluorescence in situ hybridization: past, present and future, 28332838 (2003).

27. Speicher MR, Carter NP, The new cytogenetics: blurring the boundaries with molecular biology, Nat Rev Genet., 10: 782-792 (2005).

28. Bridger JM, Volpi EV, Fluorescence in situ Hybridization (FISH), Methods in Molecular Biology, 659 (2010).

29. E. Lieberman-Aiden, N.L. van Berkum, L. Williams, M. Imakaev, T. Ragoczy, A. Telling, I. Amit, B.R. Lajoie, P.J. Sabo, M.O. Dorschner, et al, Comprehensive mapping of longrange interactions reveals folding principles of the human genome, Science 326, 289 (2009).

30. JE. Dixon, S. Selvaraj, F. Yue, A. Kim, Y. Li, Y. Shen, M. Hu, J.S. Liu, and B. Ren, Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions, Nature, 485 376 (2012)

31. T. Sexton, E. Yaffe, E. Kenigsberg, F. Bantignies, B. Leblanc, M. Hoichman, H. Parrinello, A. Tanay, and G. Cavalli, Three-dimensional folding and functional organization principles of the Drosophila genome, Cell, 148 458 (2012).

32. Y. Zhang, R.P. McCord, Y.-J. Ho, B.R. Lajoie, D.G.Hildebrand, A.C. Simon, M.S.Becker, F.W. Alt, and J.Dekker, Spatial organization of the mouse genome and its role in recurrent chromosomal translocations, Cell, 148 908 (2012).

33. Kues T, Peters R, Kubitscheck U, Visualization and Tracking of Single Protein Molecules in the Cell Nucleus, Biological Journal, 80:2954-2967 (2001).

34. Bronstein I, Israel Y, Kepten E, et al., Transient anomalous diffusion of telomeres in the nucleus of mammalian cells, Phys Rev Lett, 103: 08102 (2009).

35. Burnecki K, Kepten E, Janczura J, Universal Algorithm for Identification of Fractional Brownian Motion. A Case of Telomere Subdiffusion, Biophysical Journal, 103: 1839-1847 (2012).

36. Kepten E, Bronshtein I, Garini Y, Improved estimation of anomalous diffusion exponents in single-particle tracking experiments, Phys Rev E, 87: 052713 (2013).

37. Luger K, Nucleosomes: Structure and Function, Ernst Schering Res Found Workshop, 57: 29-46 (2006).

38. Segal E, et al., A genomic code for nucleosome positioning, Nature, 442: 772-778 (2006).

39. Morozov AV, Fortney K, Gaykalova DA, et al., Using DNA mechanics to predict in vitro nucleosome positions and formation energies, Nucleic Acids Research, 37: 4707-4722 (2009).

40. Kulaeva OI, et al., Internucleosomal Interactions Mediated by Histone Tails Allow Distant Communication in Chromatin, J Biol Chem, 287(24): 20248-20257 (2012).

41. Iyer et al., Hierarchies in eukaryotic genome organization: Insights from polymer theory and simulations, BMC Biophysics, 4:8 (2011).

42. Thomas GH, Elgin SC, Protein/DNA architecture of the DNase I hypersensitive region of the Drosophila hsp26 promoter, EMBO J, 7:2191-2201 (1988).

43. Schild C, Claret FX, et al., A nucleosome-dependent static loop potentiates estrogen-regulated transcription from the Xenopus vitellogenin B1 promoter in vitro, EMBO J, 12:423-433 (1993).

44. Krivega I, Dean A, Enchanser and promoter interactions-long distance calls, Curr Opin Genet Dev., 22(2): 79-85 (2012).

45. A R. Leitch et al., In situ hybridization, BIOS Scientific, Oxford, UK (1994).

46. P.R. Langer-Safer, M. Levine, D.C. Ward, Immunological method for mapping genes on Drosophila polytene chromosomes, Proc Natl Acad Sci (USA),79(14):4381-5 (1982).

47. R. Amann, B.M. Fuchs, Single-cell identification in microbial communities by improved fluorescence in situ hybridization techniques, Nat Rev Microbiol, 6(5):339-48 (2008).

48. Z. Zhao et al., Circular chromosome conformation capture (4C) uncovers extensive networks of epigenetically regulated intra- and interchromosomal interactions, Nat Genet., 38(11):1341-7 (2006).

49. M. Simonis et al., Nuclear organization of active and inactive chromatin domains uncovered by chromosome conformation capture-on-chip (4C), Nat Genet.,38(11):1348-54 (2006).

50. M. Simonis, J. Kooren, W. de Laat, An evaluation of 3C-based methods to capture DNA interactions, Nat Methods, 4(11):895-901 (2007).

51. Boveri T. Die Blastomerenkerne von Ascaris megalocephala und die Theorie der Chromosomen individualitat, Arch Zellforsch 3: 181-268 (1909).

52. J. R. Chubb, W.A. Bickmore, Considering nuclear compartmentalization in light of nuclear dynamics, Cell 112(4): 403-6 (2003).

53. J. D. Halverson, J. Smrek, K. Kremer and A. Y. Grosberg, From a melt of rings to chromosome territories: the role of topological constraints in genome folding, Rep Proq Phys 77(2):022601 (2014).

54. A. Cournac, H. Marie-Nelly, M. Marbouty, R. Koszul and J. Mozziconacci, Normalization of a chromosomal contact map, BMC Genomics, 13:436 (2012).

55. M. A. Umbarger, J. Dekker, M. A. Marti-Renom et al, The three-dimensional architecture of a bacterial genome and its alteration by genetic perturbation, Cell, v.44, issue 2, p252-264, (2011).

56. T. B. K. Le, M. V. Imakaev, L. A. Mirny and M. T. Laub, High-resolution mapping of the spatial organization of a bacterial chromosome, Science 342, 731 (2013).

57. C. Molenaar, K. Wiesmeijer, et al., Visualizing telomere dynamics in living mammalian cells using PNA probes, EMBO J., 22(24): 6631-41 (2003).

58. A. Chertovich, P. Kos, Crumpled globule formation during collapse of a long flexible and semiflexible polymer in poor solvent, J. Chem. Phys. 141, 134903 (2014).

59. G. Bunin, M. Kardar, Coalescence Model for Crumpled Globules Formed in Polymer Collapse, Phys Rev Lett 115(8): 088303 (2015).

60. D.A. Meshkov, V.A. Ivanov, S.K. Nechaev and V.A. Avetisov, Relaxation dynamics of a crumpled globule, Chem Phys of Biol Proc, v.33, No.7, p.47-52 (2014).

61. G. Peano, Sur une sourbe qui remplit toute une aire plane, Math. Ann. 36, 157-160 (1890).

62. D. Hilbert, Über die stetige Abbildung einer Linie auf ein Flächenstück, Math. Ann. 38, 459-460 (1891).

63. J. Shmrek, A. Y. Grosberg, A novel family of space-filling curves in their relation to chromosome conformation in eukaryotes, Physica A, v. 392, issue 24, p.6375-6388 (2013).

64. H. Sagan, Space-Filling Curves, Springer-Verlag, Heidelberg (1994).

65. Tamm M.V., Nazarov L.I., Gavrilov A.A., Chertovich A.V., Anomalous diffusion in fractal globules, Phys Rev Lett, v.114, iss. 17, с. 178102 (2015).

66. R.D. Schram, G.T. Barkema, H. Schiessel, On the stability of fractal globules, J Chem Phys 138(22): 224901 (2013).

67. T. Vettorel, A.Y. Grosberg, K. Kremer, Statistics of polymer rings in the melt: a numerical simulation study, Phys Biol, 6(2): 025013 (2009).

68. J.D. Halverson, W.B.Lee, G.S. Grest, A.Y. Grosberg, K. Kremer, Molecular dynamics simulation study of nonconcatenated ring polymers in a melt. II. Dynamics, J Chem Phys 134(20): 204905 (2011).

69. A. Rosa, R. Everaers, Ring Polymers in the Melt State: The Physics of Crumpling, Phys Rev Lett 112, 118302 (2014).

70. J.D. Halverson, W.B.Lee, G.S. Grest, A.Y. Grosberg, K. Kremer, Molecular dynamics simulation study of nonconcatenated ring polymers in a melt. I. Statics, J Chem Phys 134(20): 204904 (2011).

71. G. Parisi, N. Sourlas, Phys Rev Lett 46, 871 (1981).

72. M. Barbieri, M. Chotalia, J. Fraser, L.-M. Lavitas, J. Dostie, A. Pombo, and M. Nicodemi, Complexity of chromatin folding is captured by the strings and binders switch model, Proc. Nat. Acad. Sci., 109, 16173 (2012).

73. A.M. Chiariello, S. Bianco, A. Piccolo et al., Polymer models of the organization of chromosomes in the nucleus of cells, Modern Physics Letters B 29(09): 1530003 (2015).

74. В.А. Каргин, Г.Л. Слонимский, Об определении молекулярного веса линейных полимеров по их механическим свойствам, Журнал физической химии, т. 23, вып. 3, с. 563 (1949).

75. P.E. Rouse, A Theory of the Linear Viscoelastic Properties of Dilute Solutions of Coiling Polymers, J Chem Phys 21, 1272 (1953).

76. B.H. Zimm, Dynamics of Polymer Molecules in Dilute Solution: Viscoelasticity, Flow Birefringence and Dielectric Loss, J Chem Phys 24, 269 (1956).

77. J. Shmrek, A.Y. Grosberg, Understanding the dynamics of rings in the melt in terms of the annealed tree model, Journal of Physics: Condensed Matter 27(6), 064117 (2015).

78. A.Y. Grosberg, Annealed lattice animal model and Flory theory for the melt of non-concatenated rings: towards the physics of crumpling, Soft Matter 10(4), 560-565 (2014).

79. G. Ting, S.Panyukov, M. Rubinstein, Self-Similar Conformations and Dynamics in Entangle Melts and Solutions of Nonconcatenated Ring Polymers, Macromolecules, 49(2), pp 708-722, 2016.

80. N.A. Spenley, Scaling laws for polymers in dissipative particle dynamics, Europhys. Lett., 49, 534 (2000).

81. F. Lahmar and B. Rousseau, Influence of the adjustable parameters of the DPD on the global and local dynamics of a polymer melt, Polymer, 48, 3584 (2007).

82. P. Nikunen, I. Vattulainen, and M. Karttunen, Reptational dynamics in dissipative particle simulations of polymer melts, 75, 036713 (2007).

83. Dixon J. E., Selvaraj S., et al., Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions, Nature, 485, 376 (2012).

84. Sexton T., Yaffe E., Kenigsberg E., et al., Three-Dimensional Folding and Functional Organization Principles of the Drosophila Genome, Cell, 148, 458 (2012).

85. J. Dekker, M.A. Marti-Renom and L.A. Mirny, Exploring the three-dimensional organization of genomes: interpreting chromatin interaction data, Nat. Rev. Genet., 14, 390403 (2013).

86. A. Cournac, H. Marie-Nelly, et al., Normelization of a chromosomal contact map, BMC Genomics, 13, 436 (2012).

87. Imakaev M. V., Tchourine K. M., Nechaev S. K., Mirny L. A., Effects of topological constraints on globular polymers, Soft Matter, 11, 665-671 (2015).

88. Filion G. J., van Bemmel J. G., et al., Systematic protein location mapping reveals five principal chromatin types in Drosophila cells, Cell, 143(2), 212-224 (2010).

89. Л. Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Статистическая физика, Часть 1, Наука, (1976).

90. C. D. Sfatos, A. M. Gutin and E. I. Shakhnovich, Phase diagram of random copolymers, Phys. Rev. E, 48, 465 (1993).

91. M. Mezard, G. Parisi and M. Virasoro, Spin glass theory and beyond, World Scientific, Singapore (1987).

92. G. H. Golub and C. F. Van Loan, Matrix Computations, Johns Hopkins Studies in Math. Sciences, 4th edn (1996).

93. J. W. Aleksander, Topological invariants of knots and links, Trans. Amer. Math. Soc. (1928)

94. Newman MEJ, Analysis of weighted networks, Phys Rev E, 70:056131 (2004).

95. Lancichinetti A, Fortunato S, Limits of modularity maximization in community detection, Phys Rev E 84:066122 (2011).

96. Granell C, Gomez S, Arenas A, Hierarchical multiresolution method to overcome the resolution limit in complex networks, Int J Bifurcat Chaos 22(07):1250171 (2012).

97. Arenas A, Fernandez A, Gomez S, Analysis of the structure of complex networks at different resolution levels, New J Phys 10(5):053039 (2008).

98. Fortunato S, Community detection in graphs. Phys Rep 486(3-5):75-174, (2010).

99. Newman MEJ, Modularity and community structure in networks, P Natl Acad Sci 103(23):8577-8582 (2006).

100.Krzakala F, Moore C, Mossel E, et al. Spectral redemption in clustering sparse networks, P Natl Acad Sci 110(52):20935-20940 (2013).

101. Arenas A, Diaz-Guilera A, Kurths J, et al. Synchronization in complex networks, Phys Rep 469(3):93-153 (2008).

102. Д.П. Сетна, Статистическая механика: энтропия, параметры порядка и сложность, Научный мир, 2013

103.Mezard M, Montanari A, Information Physics and Computation, Oxford:OUP (2009).

104. A. Karatrantos, N. Clarke, R.J. Compostob, and K.I. Wineyb, Polymer conformations in polymer nanocomposites containing spherical nanoparticles, Soft Matter, 9, 3877 (2013).

105. A. A. Aksyuk, M. G. Rossmann, Bacteriophage Assembly, Viruses, 3(3): 172-203 (2011).