Учёные ПНИПУ создали физическую модель, объясняющую управление генами и рак
Современная биология и медицина сделали огромный шаг в изучении генома, однако столкнулись с ключевой задачей: понять, как клетка выбирает свою дальнейшую роль — почему одна превращается в нейрон, а другая начинает бесконтрольно делиться, формируя опухоль. До сих пор учёные рассматривали процесс на уровне отдельных молекул — белков и химических сигналов. Такой подход не объяснял, каким образом тысячи генов способны менять активность практически одновременно.
Исследователи Пермского Политеха разработали модель ДНК, которая впервые описывает общий физический принцип, управляющий изменениями в клетке и развитием раковых опухолей. Эта работа предлагает иной взгляд на возможные способы лечения онкологических заболеваний.
Управление состоянием клетки лежит в основе онкологии и регенеративной медицины. Хотя клетки организма имеют одинаковый набор генов, их функции различаются. Чтобы клетка сменила тип или перешла, например, от деления к старению, в её ДНК должны синхронно «включиться» или «выключиться» тысячи участков. Прежние методы анализировали этот процесс точечно и не позволяли понять общий механизм.
Учёные предложили рассматривать ДНК не как набор отдельных элементов, а как единую систему. Они предположили, что ДНК ведёт себя как биологический кристалл: любое локальное изменение создаёт механическое напряжение, которое распространяется вдоль молекулы и может влиять на удалённые участки. Это объясняет согласованность переключения множества генов.
Для проверки идеи команда создала математическую модель, в которой каждый фрагмент ДНК может находиться в одном из трёх состояний — стабильном, неустойчивом или критическом. В стабильном состоянии участок закрыт, в неустойчивом — готов переключиться при небольшом сигнале, а в критическом способен запустить цепную реакцию, перестраивающую работу всего генома.
Моделирование подтвердило: когда часть молекулы «открывается», соседние участки также начинают переходить в новое состояние. Такой эффект показывает, что ДНК действует как единый механизм, обеспечивая одновременную смену активности множества генов.
Для проверки результатов исследователи сопоставили прогнозы модели с экспериментальными данными по эмбриональным и раковым клеткам. Совпадение результатов говорит о том, что модель отражает универсальные принципы работы генома.
Согласно разработанному подходу, раковая клетка «застревает» в состоянии постоянного деления — из-за недостатка участков ДНК, находящихся в критическом режиме и способных запустить переход к другому состоянию. В здоровых клетках таких участков больше, и именно они формируют каскад согласованных изменений. Понимание этих процессов открывает перспективы для новых методов терапии: воздействие может быть направлено не на уничтожение клетки, а на изменение её состояния.
Авторы отмечают, что следующие шаги — научиться определять структурные параметры ДНК в живых клетках и проверять предсказания модели напрямую. Это создаст базу для будущих медицинских и биотехнологических приложений.
Источник: Naked Science
Рекомендуем также:
