Учёные ПНИПУ предложили новую модель управления генами и развития рака
Современная биология и медицина добились огромного прогресса в расшифровке генома, но столкнулись с ключевой задачей — понять, как клетка выбирает свой путь развития: почему одна превращается в нейрон, а другая начинает бесконтрольно делиться и становится раковой. Многие годы исследователи изучали этот вопрос на уровне отдельных белков и сигналов, однако такой подход не объяснял, каким образом тысячи генов могут перестраивать свою активность одновременно. Ученые Пермского Политеха создали модель ДНК, которая впервые описывает универсальный физический механизм, управляющий клеточной судьбой и развитием онкологии. Это открывает новый взгляд на возможные терапевтические стратегии.
Управление клеточным развитием лежит в основе онкологии и регенеративной медицины. Хотя все клетки в организме несут одинаковый набор генов, они выполняют разные функции — становятся нервными, мышечными, иммунными. Ранее биологи объясняли это работой отдельных молекул, но не удавалось понять, как клетка достигает согласованной перестройки генома, когда сотни генов должны изменить состояние одновременно.
Исследователи ПНИПУ предложили рассматривать ДНК как единую физическую систему. Чтобы ген активировался, его участок должен «открыться», а когда он закрыт, ген бездействует. Судьба клетки определяется координированными переходами между такими состояниями. Но одиночное «раскрытие» участка не объясняет, почему процесс затрагивает весь геном.
Ученые предположили, что ответ лежит в физических свойствах молекулы. ДНК ведет себя как биокристалл: локальные изменения создают механическое напряжение, которое распространяется вдоль всей цепи и влияет на другие участки. Эта волна напряжения способна облегчать или, наоборот, затруднять «открытие» соседних генов. Чтобы проверить идею, исследователи разработали математическую модель полноразмерной молекулы ДНК человека.
В модели каждый участок мог находиться в одном из трёх состояний — стабильном, неустойчивом или критическом. В стабильном состоянии участок закрыт, в неустойчивом — готов мгновенно переключиться, а в критическом — открывается и запускает цепную реакцию изменений по всей молекуле. Расчёты показали, что при «раскрытии» отдельных сегментов ДНК начинает сама подталкивать соседние участки к аналогичному поведению. В результате геном действует как единый механизм, способный к массовой синхронной перестройке.
Сравнение предсказаний модели с реальными биологическими данными подтвердило её соответствие наблюдаемым процессам. В частности, модель дала объяснение природы рака: опухолевая клетка оказывается в состоянии, где недостаточно участков ДНК находится в критической фазе. Из-за этого она «застревает» в режиме деления и не может перейти к нормальному развитию или старению. В здоровых клетках такие участки формируют последовательную каскадную смену состояний — своеобразный «каскад критичности», обеспечивающий нормальное функционирование.
Авторы исследования отмечают, что понимание этих механизмов открывает путь к новым методам лечения. В будущем терапия может быть направлена не на уничтожение раковых клеток, а на изменение их внутреннего состояния, чтобы заставить их созревать или погибать естественным образом. Кроме того, такие принципы могут улучшить технологии перепрограммирования клеток для регенеративной медицины.
Следующий шаг ученых — разработать способы определения структурного параметра ДНК в живых клетках, что позволит напрямую проверять модель и приблизит её применение в биотехнологиях и медицине.
Источник: Naked Science
Рекомендуем также:
