Эффекты топологических взаимодействий и активной экструзии петель в регуляции пространственной организации хромосом

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-73-00176

НазваниеЭффекты топологических взаимодействий и активной экструзии петель в регуляции пространственной организации хромосом

Руководитель Половников Кирилл Евгеньевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-303 - Теория и компьютерное моделирование полимерных систем

Ключевые слова фолдинг хроматина, Hi-C, хромосомные территории, топологически-ассоциированные домены, топологические ограничения, экструзия петель

Код ГРНТИ34.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из наиболее актуальных нерешенных проблем полимерной физики является задача о трехмерной организации (фолдинге) хромосом эукариотической клетки. Объем информации, закодированной в одной хромосоме длиной 10 см, соответствует флэш-карте емкостью 1 Гб, но ее пространственный размер в 10 раз меньше толщины волоса. Важно отметить, что такое впечатляющее сжатие данных достигается за счет специального неслучайного пространственного сворачивания ДНК. Это сворачивание изменяется в течение клеточного цикла от компактной укладки во время метафазы (на этапе, предшествующем делению клетки) до более «открытой» пространственной организации во время интерфазы (основная фаза клеточного цикла между делениями). Однако даже в этом деконденсированном состоянии ДНК материал отдельных хромосом не перемешивается, и они занимают так называемые «территории» в клеточном ядре. Эта территориальная организация – "базовый" признак организации хромосом у высших организмов, связанный с топологическими ограничениями хромосомных волокон, однако кинетика их формирования и физические механизмы поддержания не имеют полного понимания на сегодняшний день. В этом проекте методами компьютерного моделирования и аналитических расчетов мы стремимся изучить статистические особенности трехмерной организации генома: (а) структуру ДНК внутри каждой хромосомы, которая может быть охарактеризована фрактальной размерностью полимерных конформаций и функцией средней вероятности контакта вдоль по цепи, (б) особенности, связанные с формированием массива петель на геноме вследствие активной экструзии петель и (в) феномен «хромосомных территорий», т.е. отсутствие смешения между различных хромосом в пространстве. В частности, мы планируем изучить кинетику формирования и механизмы поддержания этих характеристик, проверяя наши модели численно на новых экспериментальных данных.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. К. Половников, С. Нечаев, А. Гросберг Polovnikov, Kirill E., Sergei K. Nechaev, and Alexander Y. Grosberg. "Stretching of a Fractal Polymer around a Disc Reveals Kardar-Parisi-Zhang Scaling." Physical Review Letters 129.9 (2022): 097801. Physical Review Letters, 129.9 (2022): 097801 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevLett.129.097801

2. Славов Б., Половников К ФРАКТАЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР СО СЛУЧАЙНЫМИ ПЕТЛЯМИ КАК МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМОСОМ СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ О ПОЛИМЕРАХ 16-я Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием, СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ О ПОЛИМЕРАХ. 16-я Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием. 24-27 октября 2022 г., Санкт-Петербург, ИВС РАН (год публикации - 2022)

3. Половников К.Е., Славов Б.Д. Topological and non-topological mechanisms of loops formation in chromosomes: effects on the contact probability Physical Review E (год публикации - 2023)

4. Б. Славов, К. Половников Intrachain Distances in a Crumpled Polymer with Random Loops JETP Letters, 118, 3, 208-214 (год публикации - 2023)
10.1134/S0021364023601872

5. К. Половников, Х. Брандао, С. Белан, Б. Славов, М. Имакаев, Л. Мирный Crumpled polymer with loops recapitulates key features of chromosome organization Physical Review X, 13, 4, 041029 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevX.13.041029

6. Хильдебранд Э., Половников К.Е., Деккер Б., Лиу Ю., Лафонтэн Л., Николь Фокс А., Ли Ю., Венев С.В., Мирный Л., Деккер Й. Mitotic chromosomes are self-entangled and disentangle through a Topoisomerase II-dependent two stage exit from mitosis Molecular Cell, 84, 1–20 (год публикации - 2024)
10.1016/j.molcel.2024.02.025

Публикации