"Двойная спираль ДНК подобна винту. Предполагается, что она может одновременно скользить и прокручиваться вдоль поверхности белков ее оболочки. Нам удалось показать, что благодаря локальным деформациям ДНК и белков-гистонов этот процесс происходит поэтапно. Сначала прокручивается одна часть ДНК, а затем следующая – своего рода гусенично-винтовой механизм", -– рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник МГУ Алексей Шайтан.

Общая длина всех молекул ДНК из хромосом человека составляет около двух метров. Чтобы они поместились в ядре, нашим клеткам приходится "сжимать" их нити примерно в 10 тыс. раз. В частности, клетка наматывает нить ДНК на особые молекулярные “катушки" из белков-гистонов. Благодаря этому геном можно упаковать очень компактно, но при этом значительная часть нити ДНК оказывается запрятанной внутри этих структур.

За миллионы лет эволюции появилось множество систем, с помощью которых клетки разматывают эти "катушки", считывают гены и модифицируют структуру их упаковки так, чтобы те было проще считывать. Эти процессы играют критически важную роль в приспособлении клеток к меняющимся условиям среды.

В новой работе Шайтан и его коллеги, в том числе академик РАН Михаил Кирпичников, выяснили сразу несколько новых механизмов, которые управляют считываемостью генов. В ходе исследования они просчитывали на атомном уровне, как меняется положение нити ДНК внутри ядра клетки.

С помощью суперкомпьютера “Ломоносов-2" ученые просчитали, как ведут себя гистоны с намотанной на них ДНК на протяжении около 15 микросекунд. Это очень большое время для подобных расчетов.

Благодаря этому Шайтан и его коллеги проследили, как нить ДНК отсоединяется от белков, как при этом меняется ее структура и какие факторы влияют на движение цепочки нуклеотидов, а также ее повторное соединение с белковыми "катушками".

Расчеты показали, что неожиданно большую роль в управлении активностью генов играет так называемое "дыхание" ДНК – одна из частей процесса по повторному наматыванию цепочек нуклеотидов на гистоны. Биологи выделили те части белковых "катушек", которые отвечают за работу этого "дыхания", а также поняли, как особенности в их структуре влияют на частоту отсоединений и соединений ДНК и то, как далеко ее нить может отходить от белков.

Шайтан и его коллеги надеются, что результаты их работы помогут точнее предсказывать то, как изменения в структуре оболочки ДНК будут влиять на активность различных генов. С нарушениями в работе этих механизмов упаковки и распаковки ДНК сегодня связывают многие случаи развития рака и различных врожденных болезней.