Простая, но мощная модель предсказывает организацию ДНК
Ученые часто пытаются понять важные клеточные процессы, вмешиваясь в них и наблюдая за результатом. Но часто клетка просто погибает.
Именно эту проблему предвидел Эндрю Спаковиц, доцент химической инженерии и материаловедения в Стэнфордском университете, для ученых, пытающихся понять, как упакована важная информация в ДНК наших клеток.
Чтобы обойти эту проблему, Спаковиц и его команда создали компьютерную модель для манипуляций с "клетками" в симуляции — без уничтожения реальных клеток. Их модель предсказывает, как изменения в клетке влияют на упаковку ДНК. Эта информация заложит основу для лабораторных экспериментов по изучению влияния организации ДНК на включение или выключение генов.
"Вопрос был в том, есть ли надежда уловить ключевые особенности в невероятно сложной живой системе с помощью чего-то столь простого, как наша модель", — сказал Спаковиц. Ответ, о котором они сообщают в Proceedings of the National Academy of Sciences, был решительным "да".
Организация ДНК
В каждой человеческой клетке около шести футов ДНК. Чтобы вместить её всю, длинные нити ДНК наматываются на белковые кластеры — гистоны. Гены в плотно упакованной ДНК, называемой гетерохроматином, часто выключены, так как клетке трудно получить к ним доступ.
Компьютерная модель показывает области гетерохроматина (похожие на плотные клубки нити) и открытые области — эухроматин, где гены часто активны. Изучая упаковку ДНК в клетке, исследователи могут определить, какие гены, вероятно, включены или выключены.
"Установление связи между физической организацией ДНК и экспрессией генов — это важный шаг к пониманию того, как клетка контролирует, какие гены экспрессируются, а какие нет", — сказал Спаковиц.
Чтобы понять факторы, определяющие организацию ДНК, команда изменяла "клетки" в своей модели, чтобы увидеть, как определенные изменения повлияют на упаковку ДНК в ядре. Например, при добавлении большего количества белка HP1, участвующего в выключении генов, ДНК формировала плотные сгустки. В этих областях также были гистоны, помеченные химическими группами, которые "заглушают" близлежащие гены.
Модель для реальности
Чтобы проверить работоспособность модели, команда сравнила её предсказания с результатами реальных экспериментов. Они проанализировали данные лабораторных экспериментов, которые "замораживают" клетку в определенный момент времени, делая снимок организации ДНК. Когда команда смоделировала эти эксперименты, они увидели те же результаты, что и в реальных клетках.
"Простое введение одного фактора показывает огромное совпадение между смоделированными и экспериментальными данными", — сказал Куинн Макферсон, докторант по физике в лаборатории Спаковица. Это показало команде, что их простая модель может точно предсказать организацию ДНК в реальных клетках.
Систематическое изменение параметров в симулированной клетке позволит исследователям манипулировать ДНК в экспериментах, невыполнимых в лаборатории. "Эти эксперименты могут стоить десятки тысяч долларов и бесчисленные часы работы в лаборатории, а мы можем просто покрутить ручку на компьютере", — сказал Бруно Бельтран, докторант по биофизике в лаборатории Спаковица.
Проведение симулированного эксперимента перед реальной работой может помочь исследователям расставить приоритеты. Спаковиц и его команда надеются, что их модель станет руководством для других исследований о том, как организация ДНК влияет на активность генов.