ИСТИНА

В последние годы благодаря совершенствованию экспериментальных технологий наметилась долгожданная конвергенция методов структурной биологии и методов геномики в изучении организации хроматина на молекулярном уровне. Благодаря успехам крио-электронной микроскопии, мы получаем все больше информации о структуре не только нуклеосом, но и супрануклеосомных структур, а благодаря развитию методов геномики и 3-D геномики все более высокого разрешения, стало возможным определять контакты между локусами ДНК с суб-нуклеосомным разрешением (в частности, методы Micro-C, Micro-C-XL и др.) и определять положение и состав нуклеосом вдоль генома (напр. методы MNase-seq, MNase-ChIP-seq). Возникает необходимость в интерпретации экспериментальных данных и построении физических молекулярных моделей укладки хроматина на супрануклеосомном уровне с учетом реальных геометрических и топологических параметров молекул белков и ДНК, а также динамического характера этих взаимодействий. Решению данного спектра задач и посвящен этот проект. Нами будут разработаны и усовершенствованы оригинальные методы моделирования укладки хроматина на супрануклеосомном уровне, учитывающие топологию, хиральность и кручение молекул ДНК, взаимодействие различных типов нуклеосом между собой, а также их взаимодействия с ядерным микроокружением. Будут разработаны подходы по интеграция различных типов геномных данных суб-нуклеосомного разрешения (Micro-C, MNase-seq, MNase-ChIP-seq и т.д.) в методы построения моделей укладки хроматина. На основе разработанных подходов по экспериментальным данным будут построены структурно-динамические модели укладки хроматина на супрануклеосомном уровне и изучена вариабельность структуры хроматина. Будет проанализирована связь получаемых моделей структуры хроматина с различными эпигенетическими характеристиками геномных локусов и сформулированы выводы о вероятной взаимосвязи между супрануклеосомной структурой и функцией различных областей хроматина. Аналогичные подходы будут применены для изучения изменений в состоянии хроматина в различных типах клеток.

In recent years, due to the improvement of experimental technologies, the long-awaited convergence of structural biology methods and genomics methods in the study of chromatin organization at the molecular level has emerged. Thanks to the success of cryo-electron microscopy, we are receiving more and more information about the structure of not only nucleosomes, but also of supranucleosome structures, and thanks to the development of genomics and 3-D genomics of higher resolution, it has become possible to determine the contacts between DNA loci with sub-nucleosomal resolution (in particular, Micro-C, Micro-C-XL methods, etc.) and determine the position and composition of nucleosomes along the genome (e.g., MNase-seq, MNase-ChIP-seq). There is a need to interpret the experimental data and build physical molecular models of chromatin folding at the supranucleosome level, taking into account the real geometric and topological parameters of protein and DNA molecules, as well as the dynamic nature of these interactions. This project is dedicated to solving this spectrum of problems. We will develop and improve original methods for modeling chromatin folding at the supranucleosome level, taking into account the topology, chirality and twisting of DNA molecules, the interaction of different types of nucleosomes with each other, as well as their interaction with the nuclear microenvironment. Approaches will be developed for integrating various types of subnucleosome resolution genomic data (Micro-C, MNase-seq, MNase-ChIP-seq, etc.) into methods for constructing chromatin folding models. Based on the developed approaches, experimental and structural data will be used to construct structural-dynamic models of chromatin folding at the supranucleosomal level and to study the variability of the chromatin structure. We will analyze the relationship of the obtained chromatin structure models with various epigenetic characteristics of genomic loci and draw conclusions about the likely relationship between the supranucleosome structure and the function of different chromatin regions. Similar approaches will be applied to study the changes in chromatin states in various types of cells.

В результате проекта будут достигнуты следующие результаты: 1. Разработаны алгоритмы мультимасштабного молекулярного моделирования нуклеосомных фибрилл с учетом топологии ДНК и структуры нуклеосом на атомистическом уровне. Предлагаемые к разработке алгоритмы позволят быстро генерировать различные структуры нуклеосомных фибрилл с атомистической точностью, осуществлять поиск оптимальных конформаций или ансамблей конформаций с учетом задаваемых энергетических функций взаимодействия частей системы и различных дополнительных целевых функций на конформацию системы. 2. Разработаны подходы интегративного моделирования структуры и динамики нуклеосомных фибрилл на основе анализа экспериментальных данных 3-D геномики и геномики субнуклеосомного разрешения и их молекулярная интерпретация. Разработанные алгоритмы моделирования фибрилл будут адаптированы для поиска конформаций фибрилл, удовлетворяющих экспериментальным данным о контактах между различными нуклеосомами, определение которых стало недавно возможным с помощью методов класса Micro-C. Отдельной подзадачей будет непосредственный анализ и фильтрация сырых данных Micro-C, а также разработка способов представления определяемых “контактов” в виде физически осмысленных ограничений на положения отдельных компонент моделируемых фибрилл на молекулярном уровне. В дополнение к использованию данных Micro-C, для моделирования реалистичных упаковок нуклеосом будут привлекаться данные методов MNase-seq и MNase-ChIP-seq, которые позволяют определять положения нуклеосом на ДНК, а также наличие гистоновых вариантов и пост-трансляционных модификаций на нуклеосомах. 3. Разработанные методов интегративного моделирования супрануклеосомной структуры хроматина будут применены для анализа экспериментальных данных 3-D геномики и геномики субнуклеосомного разрешения. Разработанные методы и алгоритмы будут применены к реальным экспериментальным данным для анализа строения хроматина на супрануклеосомном уровне. Будут проанализированы получающиеся модели укладки нуклеосом, их вариация и гетерогенность в геноме для клеточных линий различных организмов. 4. Будет изучена взаимосвязь структуры хроматина и его эпигенетических параметров. Будет проанализирована взаимосвязь между получаемой с помощью наших подходов супрануклеосомной структурой хроматина и наличием различных эпигенетических модификаций нуклеосом по экспериментальным данным (различные посттрансляционные модификации гистонов, нуклеосомы с вариантными гистонами, метилирование ДНК). Поскольку различные эпигенетические метки коррелируют с функциональной ролью участков хроматина (напр. области активной экспрессии, области наличия энхансеров и т.д.) данный анализ также поможет пролить свет на функциональную значимость различных типов укладок нуклеосом.

Библиотеки PyNAMod, разработанная нами, позволяет генерировать пространственные модели фрагментов ДНК на основе ее представления в виде параметров, задающих взаимное расположение пар оснований относительно друг друга (base pair step parameters: Tilt, Roll, Twist, Shift, Rise, Slide). С применением этой библиотеки на данный момент можно генерировать предварительные модели хроматиновых фибрилл случайной конформации, путем соединения фиксированных нуклеосомных коров фрагментами линкерной ДНК с произвольным изгибом. На Рис.10 изображена фибрилла в огрубленном приближении (нуклеосомный кор изображается шариком, а пары оснований ДНК прямоугольниками) длиной 3600 нуклеосом. Также на Рис. 8 изображены вычисленная по данной конформации карта контактов. Наша библиотека позволяет легко и достаточно быстро пересчитывать пространственную конформацию фибриллы. Пока это делается случайным образом. Случайная эволюция прямой конформации фибриллы, получающийся в результате случайного поворота нуклеосом относительно друг друга, представлена по ссылке https://intbio.org/PyNAMod/fiber_collapse.html На основании этого задела в Задаче 1.1. нами будут разработаны реалистичные методы моделирования фибрилл с учетом углов входа/выхода ДНК в нуклеосомы, возможного откручивания ДНК от нуклеосомного кора, перемещения нуклеосом вдоль по ДНК и т.д.