Model of Fractal Organization of Chromatin in Two-Dimensional Space

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Chromatin, consisting of a meter-long DNA strand and associated proteins, is packed into the nucleus of a biological cell tightly but without entanglement. There is a hypothesis, confirmed by experiments involving the chromatin conformation capture technology [1], that curves densely filling the space (Peano or Hilbert curves) provide a good theoretical model to describe the chromatin packing into the nucleus. However, small-angle neutron scattering (SANS) experiments show a bifractal organization of chromatin in the interphase nucleus, thus demonstrating the presence of a logarithmic fractal on larger scales and a volume fractal on smaller scales [2]. In this paper, numerical Fourier analysis in the two-dimensional space is applied to simulate neutron scattering, and a model of a unified bifractal object is presented. It is shown that, in numerical radiation scattering experiments in the two-dimensional space, the mass and logarithmic fractals are significantly different from space-filling curves and from nonfractal objects. For instance, for a logarithmic fractal with a Hausdorff dimension of 2, scattering intensity decreases with increasing Fourier coordinate q by the power law q–2. For curves filling the two-dimensional space, the intensity decreases by the power law q–3, just as for nonfractal objects with sharp boundary in the plane. Thus, first, it is demonstrated that the model of space-filling curves is inadequate to describe the chromatin packing into the nucleus of a biological cell; second, a model of a unified bifractal object is proposed that combines logarithmic and mass fractals on different scales; and, third, a model of chromatin packing is proposed that can describe the data of both small-angle neutron scattering experiments and experiments involving chromatin conformation capture technology.

About the authors

S. V Grigor'ev

Petersburg Nuclear Physics Institute, National Research Center “Kurchatov Institute”; Petersburg State University

Email: grigoryev_sv@pnpi.nrcki.ru
188300, Gatchina, Leningrad oblast, Russia; 198504, St. Petersburg, Russia

O. D Shnyrkov

Petersburg Nuclear Physics Institute, National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: grigoryev_sv@pnpi.nrcki.ru
188300, Gatchina, Leningrad oblast, Russia

K. A Pshenichnyy

Petersburg Nuclear Physics Institute, National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: grigoryev_sv@pnpi.nrcki.ru
188300, Gatchina, Leningrad oblast, Russia

P. M Pustovoyt

Petersburg Nuclear Physics Institute, National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: grigoryev_sv@pnpi.nrcki.ru
188300, Gatchina, Leningrad oblast, Russia

E. G Yashina

Petersburg Nuclear Physics Institute, National Research Center “Kurchatov Institute”; Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: grigoryev_sv@pnpi.nrcki.ru
188300, Gatchina, Leningrad oblast, Russia; 198504, St. Petersburg, Russia

References

  1. E. Lieberman-Aiden, N. L. van Berkum, L. Williams, M. Imakaev, T.Ragoczy, A.Telling, I.Amit, B.R. Lajoie, P. J. Sabo, M. O. Dorschner, R. Sandstrom, B. Bernstein, M.A. Bender, M.K.Groudine, A.Gnirke, J. Stamatoyannopoulos, L.A. Mirny, E. S. Lander, and J. Dekker, Science 326, 289 (2009).
  2. Е. Г. Яшина, С. В. Григорьев, ЖЭТФ 156, 540 (2019).
  3. B. Mandelbrot, The Fractal Geometry of Nature, Freeman, New York (1983).
  4. H.О. Peitgen and P.H. Richter, The Beauty of Fractals, Springer, Berlin (1986).
  5. L. S. Liebovitch, Fractals and Chaos Simplified for the Life Sciences, Oxford University Press, New York (1998).
  6. I.C. Andronache, H. Ahammer, H.F. Jelineck, D. Peptenatu, Ana-M. Ciobotaru, C.C. Draghici, R.D. Pintilii, A.G. Simion, and C. Teodorescu, Chaos, Solitons and Fractals 91, 310 (2016).
  7. D.V. Lebedev, M.V. Filatov, A. I. Kuklin, A.K. Islamov, E. Kentzinger, R.A. Pantina, B. P. Toperverg, and V.V. Isaev-Ivanov, FEBS Lett. 579, 1465 (2005).
  8. E. G. Iashina, E. V. Velichko, M. V. Filatov, W.G. Bouwman, C. P. Duif, A. Brulet, and S.V. Grigoriev, Phys.Rev.E 96, 012411 (2017).
  9. E. G. Iashina, M. V. Filatov, R. A. Pantina, E.Yu. Varfolomeeva, W.G. Bouwman, Ch.P. Duif, D. Honecker, V. Pipich, and S.V. Grigoriev, J.Appl. Cryst. 52, 844 (2019).
  10. S.V. Grigoriev, E.G. Iashina, V.Yu. Bairamukov, V. Pipich, A. Radulescu, M.V. Filatov, R.A. Pantina, and E.Yu. Varfolomeeva, Phys.Rev.E 102, 032415 (2020).
  11. S.V. Grigoriev, E.G. Iashina, B. Wu, V. Pipich, Ch. Lang, A.Radulescu, V.Yu.Bairamukov, M.V. Filatov, R.A. Pantina, and E.Yu. Varfolomeeva, Phys. Rev.E 104, 044404 (2021).
  12. E.G. Iashina, E.Yu. Varfolomeeva, R.A. Pantina, V.Yu. Bairamukov, R.A. Kovalev, N.D. Fedorova, V. Pipich, A. Radulescu, and S.V. Grigoriev, Phys. Rev.E 104, 064409 (2021).
  13. A.Yu. Grosberg, S.K. Nechaev, and E. I. Shakhnovich, J. Phys. France 49, 2095 (1988).
  14. A. Grosberg, Y. Rabin, S. Havlin, and A. Neer, Europhys.Lett. 23, 373 (1993).
  15. Н.Р. Батуллин, В.С. Фишман, А.А. Хабарова, М.Ю. Помазной, Т.А.Шнайдер, Д.А. Афонников, О.Л. Серов, Вавиловский журнал генетики и селекции 18 (2), 338 (2014).
  16. A. Zlotina, A. Maslova, N. Kosyakova, A.B.H. Al-Rikabi, T. Liehr, and A. Krasikova, Chromosome Res. 27, 253 (2019).
  17. L.A. Mirny, Chromosome Res. 19, 37 (2011).
  18. J.D. Halverson, W.B. Lee, G. S. Grest, A.Y. Grosberg, and K. Kremer, J.Chem.Phys. 134, 204904 (2011).
  19. J.D.Halverson, J. Smrek, K.Kremer, and A.Y.Grosberg, Rep.Prog. Phys. 77, 022601 (2014).
  20. M.V. Imakaev, K.M. Tchourine, S.K. Nechaev, and L.A. Mirny, Soft Matter 11, 665 (2015).
  21. Е. Г. Яшина, С. В. Григорьев, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования 9, 5 (2017).
  22. J.O. Indekeu and G. Fleerackers, Physica A 261, 294 (1998).
  23. J. P. Richter and R.C. Bell, The Notebooks of Leonardo da Vinci, Dover, New York (1970).
  24. J. E. Martin and A. J. Hurd, J.App.Crystallogr. 20 (2), 61 (1987).
  25. J. Teixeira, J.App.Crystallogr. 21, 781 (1988).
  26. D. I. Svergun, M.H. J. Koch, P.A. Timmins, and R.P. May, Small Angle X-ray and Neutron Scattering from Solutions of Biological Macromolecules, Oxford University Press, Oxford (2013).
  27. T. Ficker, A. Len, and P. Nemec, J. Phys.D: Appl. Phys. 40, 4055 (2007).
  28. П.М. Пустовойт, Е. Г. Яшина, К.А. Пшеничный, С. В. Григорьев, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования 12, 3 (2020).
  29. Дж. Гудмен, Введение в фурье-оптику, Мир, Москва (1970).
  30. А.Н. Матвеев, Оптика, Высшая школа, Москва (1985).
  31. А.А. Зинчик, Я.Б. Музыченко, А.В. Смирнов, С.К. Стафеев, Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО 60 (2), 17 (2009).
  32. https://github.com/tre3k/fractal

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».