Спецы смоделировали движение ДНК в геноме на атомном уровне
Сотрудники био и физического факультетов МГУ при помощи расчётов на суперкомпьютере «Ломоносов-2» смоделировали движение ДНК в геноме на атомном уровне и выявили новейшие механизмы включения и выключения генов.
Результаты исследования размещены в престижном журнальчике Nature Communications.
Посреди создателей работы декан био факультета МГУ, академик РАН Миша Кирпичников и студенты биофака.
Любая клеточка нашего организма содержит идентичную генетическую информацию. Информация эта закодирована в виде хим шифра из нуклеотидов в генах на молекуле ДНК. Одна молекула ДНК — это нить, длиной приблизительно в человечий рост. При всем этом снутри клеточки эта длинноватая нить упакована в особый контейнер — ядро — поперечником в десятую часть толщины волоса.
Упаковать длинноватую молекулу ДНК в малогабаритное ядро помогают особые белки гистоны, на которые ДНК особым образом накручивается, будто бы нить на катушку. Лишь на одну молекулу ДНК приходится огромное количество гистонов, потому упакованная ДНК — хроматин — смотрится как вереница соединенных катушек. Любая отдельная единица хроматина, та катушка с намотанным на неё фрагментом ДНК, именуется нуклеосомой.
Хроматин не только лишь дозволяет компактно упаковать ДНК, он ещё и описывает судьбу клеток. Что у нейронов, что у эпителиальных клеток, что у хоть какой иной клеточки организма набор генов однообразный, а в какую конкретно перевоплотится стволовая клеточка зависит от того набора генов, что включится в ней. За включение и выключение генов отвечает большущее обилие устройств, исследованием которых занимается наука эпигенетика (греч. ἐπί — над-).
«Человечий геном прочитан и расшифрован уже достаточно издавна, нам известны все 3 млрд букв-нуклеотидов, слагающие его. Лишь сравните: 3 млрд букв — это как 16 тыщ томов «Войны и мира». Редчайший человек столько за жизнь читывал, а учёные вот прочли, да ещё и в зашифрованном виде, — ведает один из создателей статьи, декан био факультета МГУ академик РАН Миша Кирпичников. — Но нам до сего времени неясно, как этот текст из нуклеотидов читают молекулярные механизмы. Разобраться в логике их чтения — задачка фронтального края современной биологии. И в МГУ мы задействуем весь арсенал современнейших вычислительных способов, молекулярное моделирование, машинное обучение и искусственный ум, также передовые лабораторные способы, чтоб с данной задачей совладать».
Основной создатель исследования, ведущий научный сотрудник кафедры биоинженерии био факультета МГУ Алексей Шайтан объясняет:
«Любая жива клеточка повсевременно решает, какие конкретно генетические аннотации ей читать на этот момент. Этот выбор происходит на молекулярном уровне в итоге сложных взаимодействий меж молекулами. Как просто прочесть тот либо другой ген определяется физическими законами, взаимодействиями атомов молекулы ДНК с атомами связанных с ней белков».
«Считывание генетической инфы в ДНК подобно проигрыванию музыки с аудиокассеты. Чтоб воспроизвести звук, нужно проигрывающее устройство, механизм прокручивания пленки меж катушками и усилители. В {живых} системах для считывания инфы с ДНК есть молекулярные аналоги этих устройств, и они все “над ДНК”, другими словами эпигенетические, — ведает соавтор статьи Анастасия Князева, студент кафедры биоинженерии биофака МГУ. — Молекула ДНК тоже натягивается и прокручивается меж катушек-нуклеосом, эти процессы мы называем дыханием и скольжением».
Как конкретно происходят движения ДНК в нуклеосоме, до крайнего времени оставалось неясным. Чтоб разобраться с сиим, учёные смоделировали на суперкомпьютере «Ломоносов-2» молекулярную динамику нуклеосом на атомном уровне на рекордно длинноватых для компьютерного моделирования временах — 15 микросекунд. Другими словами суперкомпьютер выступил таким вычислительным микроскопом, что дозволил разглядеть механизмы движения ДНК в геноме.
В приобретенной модели учёные следили, как ДНК откручивается от нуклеосомы и фиксировали происходящие при всем этом деформации ДНК, дозволяющие молекуле скользить вдоль белкового ядра.
«Двойная спираль ДНК подобна винту. Предполагается, что она может сразу скользить и прокручиваться вдоль поверхности белка. Нам удалось показать, что благодаря локальным деформациям ДНК и белков гистонов, этот процесс происходит поэтапно. Поначалу прокручивается одна часть ДНК, а потом последующая: собственного рода гусенично-винтовой механизм», — разъясняет Алексей Шайтан.
Ученые также охарактеризовали детали процесса отворачивания ДНК и нашли белковую «застежку», которая держит ДНК в закрученном состоянии и ловит открученную ДНК. Одна из частей работы посвящена пророчеству формы и длины нитей хроматина, создаваемых нуклеосомами в различных отвернутых состояниях.
Исследование заносит и принципиальный вклад в расшифровку устройств функционирования генома.
«Способами мультимасштабного моделирования нам удалось показать, что дыхание ДНК в нуклеосомах может значимым образом влиять на структуру хроматина», — гласит старший научный сотрудник био факультета МГУ Григорий Армеев.
В работе использовались суперкомпьютерные расчеты систем размером в несколько сотен тыщ атомов. Метод программки был должен совершить около 10 млрд шагов. Моделирование каждой системы заняло около 250 дней непрерывного расчета. Подобные расчеты стали вероятными, а именно, благодаря резвому развитию технологий параллельных и массивно параллельных суперкомпьютерных расчетов с внедрением графических микропроцессоров.
«Адаптация вычислительных алгоритмов для расчетов на графических микропроцессорах и продолжающийся рост вычислительной мощности суперкомпьютерных систем открывают отменно новейшие способности для исследовательских работ в области молекулярного моделирования, — объясняет директор Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ, член корреспондент РАН, Владимир Воеводин. — Наши оценки производительности расчетов, проведенные вместе с сотрудниками био факультета МГУ, демонстрируют, что скорость вычислений в расчете на один узел суперкомпьютера Ломоносов-2 возросла в 5 раз за время крайней модернизации, и процесс развития суперкомпьютерного комплекса МГУ нужно продолжать и дальше».