В частности, команда использовала статистическую механику и математическое моделирование, чтобы пролить свет на то, что известно как эпигенетическая память — как организм может создать биологическую память о некоторых переменных состояниях, таких как качество питания или температура.
«Работа подчеркивает междисциплинарный характер современной молекулярной биологии, в частности, то, как инструменты и модели из математики и физики могут помочь прояснить проблемы в биологии», — сказал Кен Ким, физик из LLNL и один из авторов статьи, опубликованной в Фев.
7 выпуск физических обзорных писем.
Не все характеристики живых организмов можно объяснить только их генами. Эпигенетические процессы с большой чувствительностью реагируют на непосредственное биохимическое окружение генов — и, кроме того, они передают эти реакции следующему поколению.
Работа команды над динамикой модификации гистонового белка занимает центральное место в эпигенетике. Подобно генетическим изменениям, эпигенетические изменения сохраняются при делении клетки.
Когда-то гистоновые белки считались статическими структурными компонентами хромосом, но недавние исследования показали, что гистоны играют важную динамическую роль в механизмах, ответственных за эпигенетическую регуляцию.
Когда гистоны подвергаются химическим изменениям (модификации гистонов) в результате некоторого внешнего стимула, они запускают кратковременную биологическую память об этом стимуле внутри клетки, которая может передаваться дочерним клеткам. Эту память также можно перевернуть после нескольких циклов деления клеток.
По словам Цзяньхуа Сина, бывшего постдока LLNL и нынешнего профессора Технологического института Вирджинии, эпигенетические модификации необходимы для развития и функционирования клеток, но также играют ключевую роль в развитии рака. «Например, изменения в эпигеноме могут привести к активации или деактивации сигнальных путей, которые могут привести к образованию опухоли», — добавил Син.
Молекулярный механизм, лежащий в основе эпигенетической памяти, включает сложные взаимодействия между гистонами, ДНК и ферментами, которые создают модели модификации, которые распознаются клеткой. Чтобы получить представление о таких сложных системах, команда построила математическую модель, которая отражает основные особенности индуцированной гистонами эпигенетической памяти. Модель подчеркивает «инженерные» проблемы, с которыми клетка должна постоянно сталкиваться во время молекулярного распознавания. Аналогично восстановлению картинки с недостающими частями.
Молекулярные свойства видов были выбраны эволюционным путем, чтобы позволить им «рассуждать» о том, что недостающие части основаны на неполной информации, унаследованной от материнской клетки.