Регуляторные белки или симфонии генов: статистическое моделирование указывает путь к единой теории сворачивания ДНК

Человеческая молекула ДНК длиной более 2 метров использует сложные паттерны сворачивания, чтобы поместиться в клетках, при этом локально разворачиваясь для экспрессии генов. Однако такие явления сложно измерить экспериментально, а теоретические подходы к их объяснению остаются противоречивыми.

Исследователи из Италии, Японии и Польши наметили путь к единой теории, объясняющей, как ДНК меняет форму при экспрессии генов. В своей работе, представленной в Biophysics Reviews, учёные используют подход статистической механики для изучения феномена так называемых волн экспрессии генной регуляции.

Группа надеется преодолеть давний разрыв между двумя основными научными областями, изучающими эту тему.

Многие учёные на стыке физики и биологии сейчас приближаются к решению, вероятно, самой важной загадки биологии: как из одного генетического фона в оплодотворённой яйцеклетке может возникнуть около 400 высокодифференцированных типов клеток, каждый со своей физиологической ролью.

Биологические теории часто фокусируются на регуляторных белках — транскрипционных факторах, которые биохимически «дирижируют» симфонией совместно экспрессируемых генов. В свою очередь, многие физики сосредоточились на волнах экспрессии — ритмических изменениях уровней экспрессии по всему геному, вызванных релаксацией и конденсацией самой молекулы ДНК. Это похоже на «волну» на стадионе, когда зрители встают одновременно.

Чтобы добраться до сути вопроса, группа сосредоточилась на конкретном типе клеток рака молочной железы, чьё поведение в ответ на стимулы стабильно и воспроизводимо.

Они использовали статистическую механику, чтобы понять, как сворачиваются молекулы ДНК, оценивая коллективное поведение огромного числа микроскопических элементов через ансамблевые свойства, в отличие от классических ньютоновских подходов «сверху вниз».

В итоге исследователи пришли к выводу в пользу модели волн экспрессии, признавая, что хотя транскрипционные факторы играют важную роль, они вторичны по отношению к изменению формы ДНК.

Чтобы объединить эти две перспективы, авторы представили свои выводы, используя концепции, общие для биологии и физики, и ограничив математику интуитивными подходами, такими как анализ рекуррентного квантифицирования и классический статистический метод анализа главных компонент.

Далее они планируют применить тот же подход для выявления экологических переломных моментов на основе состава видов в конкретных местообитаниях.