Интерес к вопросу о том, как двуспиральная нить ДНК, гигантская, по меркам биохимии, уложена в ядре клетки размером в несколько микрон не ослабевает в течение нескольких десятилетий, несмотря на колоссальный прогресс в биологии, генетике и особенно в технологиях исследования биологической клетки. Данная работа является частью цикла работ, посвященных поиску универсальных принципов крупномасштабной организации хроматина, а также изучению его физических свойств и их изменений при различных воздействиях [1-6].

С помощью метода малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) и ультра МУРН была изучена организация хроматина в ядрах HeLa [2, 5] на установках KWS-2, KWS-3 (MLZ, Munich, Germany). Интенсивность рассеяния нейтронов в диапазоне переданных импульсов [4·10−2 - 10−1] нм−1 описывается степенной функцией с показателем степени ν=2.5, что в рамках малоуглового рассеяния на фрактальных объектах соответствует модели объемного фрактала с фрактальной размерностью DF=2.5. Интенсивность рассеяния нейтронов в диапазоне [10−3 - 4·10−2] нм−1 описывается степенной функцией с показателем степени ν=3, что соответствует модели логарифмического фрактала. Точка перехода между двумя фрактальными уровнями Qc=4·10−2 нм−1 выявляет характерный максимальный размер объемного фрактала в 150 nm. Т.о. на масштабах от 20 до 150 нм хроматин представляет представляет собой однородную самоподобную классическую фрактальную структуру (объемный фрактал), описываемую степенной мерой в показателе которой фрактальная размерность DF=2.5, в то время как на масштабах от 150 до 6000 нм (размер всего ядра) структура хроматина представляет собой иерархическую структуру, которая описывается логарифмической мерой (логарифмический фрактал), которая формируется согласно принципу сохранения объема при изменении масштаба [6].

Исследование изменения структуры хроматина в ядрах HeLa с подавленной транскрипцией с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей показали корреляцию объемнофрактальной структуры с транскрипционной активностью хроматина. Показано, что в образце ядер HeLa, культивированных в условии дефицита питательных веществ и в образце ядер HeLa, культивированных с ингибитором транскрипции акстиномицном Д, структура объемного фрактала (DF=2.5) не была обнаружена в противоположность ядрам активноделящейся клетке HeLa.

Таким образом, с помощью МУРН и МУРР можно идентифицировать наличие структуры объемного фрактала в ядре, как появление областей активного хроматина, отвечающего за транскрипционную активность ядра. При этом неактиный хроматин является плотной, однородной средой, заполняющей все пространство ядра и служащей контрастом для МУР, на фоне которого и наблюдается бифрактальная структура активного хроматина.

Авторы выражают благодарность А. Радулеску и В. Пипичу за помощь в проведении экспериментов по малоугловому рассеянию нейтронов на установках KWS-2 и KWS-3.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 20-12-00188).

1.Iashina E. G. et al. Physical Review E., Physical Review E, 96, 1, 012411 (2017).

2.Iashina E. G. et al. Journal of Applied Crystallography, 53, 4, 844-853 (2019).

3.Iashina E. G., Grigoriev S. V., JETP, 129, 3, 455-458 (2019).

4.Grigoriev S. V. et al., Physical Review E, 102, 3, 032415 (2020).

5.Grigoriev, S. V. et al. Physical Review E, 104, 4, 044404 (2021).

6.Iashina E. G. et al., Physical Review E, 104, 064409 (2021).

Interest in the question of how a double-stranded DNA strand, gigantic by the standards of biochemistry, is packed in a cell nucleus several microns in size has not weakened for several decades, despite the enormous progress in biology, genetics, and especially in technologies for studying biological cells. This work is part of a cycle of works devoted to the search for universal principles of large-scale organization of chromatin, as well as the study of its physical properties and their changes under various influences [1–6].

The organization of chromatin in HeLa nuclei [2, 5] was studied using the small-angle neutron scattering (SANS) and ultra SANS methods using the KWS-2 and KWS-3 facilities (MLZ, Munich, Germany). The intensity of neutron scattering in the range of momentum transfer [4 10−2 - 10−1] nm−1 is described by a power function with the exponent ν=2.5, which in the framework of small-angle scattering on fractal objects corresponds to the volume fractal model with fractal dimension DF=2.5. The intensity of neutron scattering in the range [10−3 - 4·10−2] nm−1 is described by a power function with exponent ν=3, which corresponds to the logarithmic fractal model. The transition point between two fractal levels Qc=4·10−2 nm−1 reveals the characteristic maximum size of the volume fractal of 150 nm. That. on scales from 20 to 150 nm, chromatin is a homogeneous self-similar classical fractal structure (volumetric fractal), described by a power measure in which the fractal dimension is DF = 2.5, while on scales from 150 to 6000 nm (the size of the entire nucleus), the structure Chromatin is a hierarchical structure, which is described by a logarithmic measure (logarithmic fractal), which is formed according to the principle of volume conservation when the scale changes [6].

The study of changes in the structure of chromatin in transcription-repressed HeLa nuclei using small-angle X-ray scattering showed a correlation between the volume-fractal structure and the transcriptional activity of chromatin. It was shown that in the sample of HeLa nuclei cultured under nutrient deficiency and in the sample of HeLa nuclei cultured with the transcription inhibitor axtinomyceous D, the structure of the volume fractal (DF=2.5) was not detected, in contrast to the nuclei of the actively dividing HeLa cell.

Thus, using SANS and SAXS, one can identify the presence of a bulk fractal structure in the nucleus, as the appearance of regions of active chromatin responsible for the transcriptional activity of the nucleus. At the same time, inactive chromatin is a dense, homogeneous medium that fills the entire space of the nucleus and serves as a contrast for MUR, against which the bifractal structure of active chromatin is observed.

The authors are grateful to A. Radulescu and V. Pipich for their help in carrying out experiments on small-angle neutron scattering at the KWS-2 and KWS-3 facilities.

This work was supported by the Russian Science Foundation (grant no. 20-12-00188).

1.Iashina E. G. et al. Physical Review E., Physical Review E, 96, 1, 012411 (2017).

2.Iashina E. G. et al. Journal of Applied Crystallography, 53, 4, 844-853 (2019).

3.Iashina E. G., Grigoriev S. V., JETP, 129, 3, 455-458 (2019).

4.Grigoriev S. V. et al., Physical Review E, 102, 3, 032415 (2020).

5.Grigoriev, S. V. et al. Physical Review E, 104, 4, 044404 (2021).

6.Iashina E. G. et al., Physical Review E, 104, 064409 (2021).