Insulators in vertebrates: regulatory mechanisms and chromatin structure

Инсуляторы были открыты как геномные элементы, способные прерывать связь между промотором и энхансером (энхансер-блокирующая активность) и ограничивать распространение гетерохроматина (барьерная активность). У дрозофилы существует несколько типов инсуляторов, работающих посредством привлечения различных белков. Все описанные инсуляторы у позвоночных животных работают при участии многофункционального транскрипционного фактора CTCF. Биологические функции инсуляторов позвоночных животных не вполне ясны. Хотя принято считать, что они разграничивают хроматиновые домены, прямых свидетельств этому практически нет. Наиболее показательным является участие инсуляторов в работе центров установления импринтинга (imprinting choice regions). Результаты ряда недавно опубликованных работ свидетельствуют о том, что для установления импринтинга существенным является встраивание инактивированного гена в отдельный топологический домен (петлю). В этом и многих других случаях инсуляторы работают в качестве архитектурных элементов, поддерживающих трехмерную организацию генома. Взаимодействие между парами инсуляторов, в котором наряду с CTCF значительную роль играет когезин, организует геном в различного рода петли. Ключевые слова: хроматиновый домен, барьерный элемент, энхансер-блокирующий элемент, CTCF, импринтинг.Інсулятори було відкрито як геномні елементи, здатні переривати зв’язок між промотором і енхансером (активність, яка блокує функціонування енхансера), та обмежувати поширення гетерохроматину (бар’єрна активність). У дрозофіли існує декілька типів інсуляторів, які працюють із залученням різних білків. Всі описані інсулятори у ссавців працюють за участі багатофункціонального транскрипційного фактора CTCF. Біологічні функції інсуляторів ссавців не до кінця з’ясовані. Хоча багато хто вважає, що вони розмежовують хроматинові домени, прямих свідчень цьому практично немає. Найпоказовішою є участь інсуляторів у роботі центрів встановлення імпринтингу (imprinting choice regions). Результати низки недавно опублікованих робіт свідчать про те, що для встановлення імпринтингу суттєвим є вбудовування інактивованого гена в окремий топологічний домен (петлю). В цьому та в багатьох інших випадках інсулятори працюють як архітектурні елементи, які підтримують тривимірну організацію геному. Взаємодія між парами інсуляторів, у яких поряд з CTCF істотну роль відіграє когезин, організує геном у різного роду петлі. Ключові слова: хроматиновий домен, бар’єрний елемент, енхансер-блокуючий елемент, CTCF, імпринтинг.Insulators were first identified as genomic elements either blocking communication between promoters and enhancers (enhancerblocking activity) or restricting heterochromatin spreading (barrier activity). There are several types of insulators in Drosophila which utilize different proteins. All insulators identified in vertebrates work with the help of the multifunctional transcription factor CTCF. Biological functions of vertebrate insulators are not clear yet. They are supposed to separate chromatin domains albeit there is almost none direct evidence of this fact. The most significant is the participation of insulators in maintenance of centers of imprinting (imprinting choice regions). The results of a number of recently published articles indicate that isolation of a gene by placement of this gene into a separate topological domain (loop) is crucial to establishing imprinting. In this particular case as well as in many other cases insulators serve as architectural elements supporting the three-dimensional structure of genome. Moreover, interaction between pairs of insulators where cohesin plays a pivotal role along with CTCF folds genome into various loops. Keywords: chromatin domain, barrier element, enhancer-blocking element, CTCF, imprinting

C-methods to study 3D organization of the eukaryotic genome

В последнее время становится все более очевидным, что пространственная организация эукариотического генома играет важную роль в регуляции экспрессии генов. Трехмерную (3D) организацию генома можно исследовать с помощью различных видов микроскопии, в частности, совмещенных с техникой флуоресцентной in situ гибридизации (FISH). Однако когда речь заходит об анализе пространственных взаимодействий между специфическими участками генома, намного более эффективными оказываются методы фиксации конформации хромосомы (3С). Они основаны на предпочтительном лигировании фрагментов ДНК, сшитых через белковые мостики в живых клетках посредством формальдегидной фиксации. Предполагается, что такие мостики связывают фрагменты ДНК, расположенные в непосредственной близости в ядре. В обзоре описаны существующие на сегодня методы фиксации конформации хромосомы – от 3С и ChIP-loop до Hi-C и ChiA- PET, объединенные под общим названием «С»-методы. Клюевые слова: фиксация конформации хромосомы (3С), пространственная организация генома.Останнім часом стає все очевиднішим, що просторова організація еукаріотичного геному відіграє важливу роль у регуляції експресії генів. Тривимірну (3D) організацію геному можна досліджувати за допомогою різних видів мікроскопії, зокрема, сумісних з технікою флуоресцентної in situ гібридизації (FISH). Однак коли йдеться про аналіз просторових взіємодій між специфічними ділянками геному, набагато ефективнішими виявляються методи фіксації конформації хромосоми (3С). Вони засновані на переважаючому лігуванні фрагментів ДНК, зшитих через білкові містки у живих клітинах за посередництвом формальдегідної фіксації. Передбачається, що такі містки зв’язують фрагменти ДНК, розміщені у безпосередній близькості у ядрі. В огляді описано існуючі на сьогодні методи фіксації конформації хромосоми – від 3С і ChIP-loop до Hi-C і ChiA-PET, об’єднані під загальною назвою «С»-методи. Ключові слова: фіксація конформації хромосоми (3С), просторова організація геному.It is becoming increasingly evident that spatial organization of the eukaryotic genome plays an important role in regulation of gene expression. The three-dimensional (3D) genome organization can be studied using different types of microscopy, in particular those coupled with fluorescence in situ hybridization. However, when it comes to the analysis of spatial interaction between specific genome regions, much higher performance demonstrate chromosome conformation capture (3C) methods. They are based on the proximity ligation approach which consists in preferential ligation of the ends of DNA fragments joined via protein bridges in living cells by formaldehyde fixation. It is assumed that such bridges link DNA fragments that are located in close spatial proximity in the cell nucleus. In this review we describe current 3C-based approaches, from 3C and ChiP-loop to Hi-C and ChiA-PET, going under the collective name of C-methods. Keywords: chromosome conformation capture, genome spatial organization

Nucleosomal packaging of eukaryotic DNA and regulation of transcription

The eukaryotic nucleus harbors genomic DNA, which is tens of thousands of times greater in linear size than the nuclear diameter. Its high condensation is due to DNA packaging in chromatin, and DNA wrapping around nucleosomal globules is a key step in the process. A histone octamer, which forms the nucleosomal globule, interacts with DNA via electrostatic contacts. DNA–histone interactions are rather tight and prevent nucleosomal DNA from being accessed by various enzymes and transcription factors. At the same time, nucleosomes do not prevent transcription and other processes related to the genetic function of DNA. The review considers the structure and diversity of nucleosomes and the central role they play in regulating transcription. Special emphasis is placed on how internucleosomal interactions contribute to genome accessibility to transcription machinery and how nucleosomes are removed from regulatory elements and transcription units in a controlled manner during transcription elongation.Ядра евкаріотних клітин містять геномну ДНК, лінійні розміри якої у десятки тисяч разів перевищують їхній діаметр. Багато в чому такий високий ступінь компактизації забезпечується упаковкою ДНК у хроматин, ключовим етапом якої є намотування ДНК на нуклеосомні глобули. Октамер гістонів, які складають нуклеосомну глобулу, взаємодіє з ДНК за посередництвом електростатичних контактів. ДНК-гістонові взаємодії достатньо міцні і утруднюють доступ до нуклеосомної ДНК багатьох ферментів і транскрипційних факторів. У той же час наявність нуклеосом не перешкоджає проходженню транскрипції та інших процесів, пов’язаних з реалізацією генетичних функцій ДНК. В огляді розглянуто структуру і розмаїття нуклеосом та їхню центральну роль у регуляції транскрипції. Особливу увагу приділено значенню міжнуклеосомних взаємодій у забезпеченні доступності геному для транскрипційної машинерії, а також регульованому видаленню нуклеосом з регуляторних елементів і транскрипційних одиниць в процесі елонгації транскрипції.Ядра эукариотических клеток содержат геномную ДНК, линейные размеры которой в десятки тысяч раз превышают их диаметр. Во многом такая высокая степень компактизации обеспечивается упаковкой ДНК в хроматин, ключевым этапом которой является наматывание ДНК на нуклеосомные глобулы. Октамер гистонов, составляющих нуклеосомную глобулу, взаимодействует с ДНК посредством электростатических контактов. ДНК-гистоновые взаимодействия достаточно прочны и затрудняют доступ к нуклеосомной ДНК многих ферментов и транскрипционных факторов. В то же время наличие нуклеосом не препятствует прохождению транскрипции и других процессов, связанных с реализацией генетических функций ДНК. В настоящем обзоре рассмотрены структура и многообразие нуклеосом и их центральная роль в регуляции транскрипции. Особое внимание уделено значению межнуклеосомных взаимодействий в обеспечении доступности генома для транскрипционной машинерии и регулируемому удалению нуклеосом с регуляторных элементов и транскрипционных единиц в процессе элонгации транскрипции

Folded genome as a platform for the functional compartmentalization of the eukaryotic cell nucleus

In a number of recent studies a tight interconnection between the spatial organization of the eukaryotic genome and its functioning has been demonstrated. Moreover, it is becoming evident that the folded DNA by itself consti- tutes an important, if not the key, factor supporting the internal nuclear organization. In this review, we will discuss the current state of chromatin research with the special attention focused on chromosome territories, chromatin folding and dynamics, chromatin domains, transcription and replication factories. Based on this analysis we will show how interphase chromosomes define the assembly of different nuclear compartments and underlie the spatial compartmentalization of the cell nucleus.У низці недавніх робіт продемонстровано тісний взаємозв’язок між просторовою організацією евкаріотичного геному і його функціонуванням. Більш того, стає очевидним, що упакована ДНК сама по собі є важливим, якщо не ключовим, фактором, котрий підтримує внутрішню організацію ядра. В огляді ми обговорюємо існуючий стан досліджень у галузі хроматину, акцентуючи увагу на питаннях, пов’язаних з хромосомними територіями, фолдингом і динамікою хроматину, а також хроматиновим доменам, транскрипційним і реплікаційним фабрикам. На основі цього ми показуємо, що інтерфазні хромосоми визначають збирання різних ядерних компартментів і створюють підгрунтя для просторової компартменталізації клітинного ядра.В ряде недавних работ продемонстрирована тесная взаимосвязь между пространственной организацией эукариотического генома и его функционированием. Более того, становится очевидным, что упакованная ДНК сама по себе является важным, если не ключевым, фактором, поддерживающим внутреннюю организацию ядра. В обзоре мы обсуждаем текущее состояние исследований в области хроматина, особое внимание уделяя вопросам, связанным с хромосомными территориями, фолдингом и динамикой хроматина, а также хроматиновым доменам, транскрипционным и репликационным фабрикам. На основе этого мы показываем, что интерфазные хромосомы определяют сборку различных ядерных компартментов и создают основу для пространственной компартментализации клеточного ядра

Dynamic nature of active chromatin hubs

Aim. In order to get more information about organization of active chromatin hubs and their role in the regulation of gene transcription we have studied the spatial organization of the a-globin gene domain in cultured chicken erythroblasts. Methods. The chromosome conformation capture (3C) protocol was employed to analyze the 3D configuration of the chicken a-globin gene domain. Results. We have demonstrated that in the same cell population the chicken domain of a-globin gene may be organized in two different active chromatin hubs. One of them appears essential for the activation of the a-globin gene expression while the other – for the activation of TMEM8 gene which constitutes a part of the a-globin gene domain in chicken, but not in human and other mammals. Importantly, two regulatory elements participate in the formation of both active chromatin hubs. Conclusions. The assembly of the same genomic area into two alternative chromatin hubs which share some regulatory elements suggests that active chromatin hubs are dynamic rather than static, and that regulatory elements may shuttle between different chromatin hubs. Keywords: active chromatin hub, globin gene, genomic domain, chromosome conformation capture.Мета. Щоб отримати нову інформацію стосовно організації активаторних хроматинових блоків та їхньої ролі в регуляції транскрипції ми вивчили просторову організацію домену a-глобінових генів у культивованих курячих еритробластах. Методи. Для анализу 3D конфігурації домену a-глобінових генів використано метод фіксації конформації хромосоми (3С). Результати. Ми продемонстрували, що в одній і тій самій популяції курячих клітин домен a-глобінових генів може бути організованим у два різних хроматинових блоки. Один з них необхідний для активації транскрипції a-глобінових генів, тоді як другий забезпечує активацію транскрипції гена TMEM8. Цей ген входить до складу домену aглобінових генів курей, але не ссавців і людини. Важливо, що два регуляторних елементи домену a-глобінових генів присутні у складі обох активаторних хроматинових блоків. Висновки. Існування в одному й тому ж геномному домені двох різних активаторних комплексів, які мають у своєму складі спільні регуляторні елементи, свідчить про динамічну природу активаторних хроматинових блоків, що дозволяє спільним регуляторним елементам періодично переміщуватися з одного комплексу в другий. Ключові слова: активаторні хроматинові блоки, глобіновий ген, геномний домен, метод фіксації хромосоми.Цель. Чтобы получить новую информацию об организации активаторных хроматиновых блоков и их роли в регуляции транскрипции, мы изучили пространственную организацию домена a-глобиновых генов в культивируемых куриных эритробластах. Методы. Для анализа 3D конфигурации домена a-глобиновых генов использован метод фиксации конформации хромосомы (3С). Результаты. Мы продемонстрировали, что в одной и той же популяции куриных клеток домен a-глобиновых генов может быть организован в два различных хроматиновых блока. Один из них необходим для активации транскрипции a-глобиновых генов, в то время как другой обеспечивает активацию транскрипции гена TMEM8. Этот ген входит в состав домена a-глобиновых генов кур, но не млекопитающих и человека. Важно, что два регуляторных элемента домена a-глобиновых генов присутствуют в составе обоих активаторных хроматиновых блоков. Выводы. Существование в одном и том же геномном домене двух разных активаторных комплексов, имеющих в своем составе общие регуляторные элементы, свидетельствует о динамической природе активаторных хроматиновых блоков, что позволяет общим регуляторным элементам периодически перемещаться из одного комплекса в другой. Ключевые слова: активаторные хроматиновые блоки, глобиновый ген, геномный домен, метод фиксации хромосомы

Multi-beam accelerating module calculation

As has been pointed in [1], a multi-beam accelerating cavity with drift tubes is suggested to be used in a linac for the purpose of overcoming limitations on the mean current. In this paper the dispersion equation for such a construction was deduced and analyzed

High-frequency hopping conductivity in the quantum Hall effect regime: Acoustical studies

The high-frequency conductivity of Si delta-doped GaAs/AlGaAs heterostructures is studied in the integer quantum Hall effect (QHE) regime, using acoustic methods. Both the real and the imaginary parts of the complex conductivity are determined from the experimentally observed magnetic field and temperature dependences of the velocity and the attenuation of a surface acoustic wave. It is demonstrated that in the structures studied the mechanism of low-temperature conductance near the QHE plateau centers is hopping. It is also shown that at magnetic fields corresponding to filling factors 2 and 4, the doped Si delta- layer efficiently shunts the conductance in the two-dimensional electron gas (2DEG) channel. A method to separate the two contributions to the real part of the conductivity is developed, and the localization length in the 2DEG channel is estimated.Comment: 8pages, 9 figure

Термическая гелий-кислородная смесь в лечебном алгоритме больных с COVID-19

Background. The paper discusses the use of a thermal helium-oxygen mixture (t-Не/О2 ), a novel technology, in treating patients with the 2019-nCoV acute respiratory disease (COVID-19) who develop life-threatening respiratory failure. Aim to evaluate the safety and efficacy of t-Не/О2 inhalation combined with standard therapy in the treatment of acute respiratory failure in patients with COVID-19. Materials and Methods. This was a single-center, randomized, prospective study of 70 patients with COVID-19. All patients were divided into two groups: in Group 1 (n = 38) patients received t-He/О2 in addition to the standard COVID-19 treatment; and in Group 2 (n = 32) patients were given the standard treatment in accordance with the Clinical Treatment Guidelines for patients with COVID-19, developed by the Ministry of Health of the Russian Federation. The male/female ratio was 18/20 in Group 1 and 18/14 in Group 2. The mean age of the patients in the study was 53.5 years (43; 62): 56 years (42; 64) in Group 1 and 52 years (43; 66) in Group 2. All patients had computed tomography (CT) signs of lung injury: ground-glass opacities and areas of consolidation. SARS-CoV-2 RNA was detected in 30 Group 1 patients and 28 Group 2 patients. The patients were matched by sex, age, body mass index (BMI), area of pulmonary involvement, and laboratory findings. All patients provided voluntary informed consent to participate in the study and signed a consent form. Results. Inhalation of thermal helium-oxygen mixture combined with standard therapy did not cause any procedure-related side effects in any of the patients. The following changes were observed in all patients: pO2 /FiO2 , SpO2 , and lymphocyte counts increased, C-reactive protein (CRP) levels decreased, and D-dimer and ferritin levels returned to normal. In Group 1 statistically significant changes in the above-mentioned parameters were seen within three days, while in Group 2 the same changes were observed between Days 7 and 10 of treatment. In Group 1 patients cleared SARS-CoV-2 within 4872 hours after initiation of inhalation, which was confirmed by polymerase chain reaction (PCR), and in Group 2 virus elimination was achieved within 72168 hours. Conclusion. The addition of inhalation of a thermal gas mixture of helium and oxygen (t-He/О2 ) to the standard therapy for patients with SARS-CoV-2 infection, CT signs of pneumonia (grades СT2 or CT3), and acute respiratory failure improves gas exchange, contributes to a more rapid virus elimination, and indirectly reduces inflammation.Обоснование. В представленной работе речь пойдет о новой технологии применения термического гелия и кислорода (t-Не/О2 ) в лечении больных с вирусным заболеванием СOVID-19 на этапе развития жизнеугрожающего синдрома дыхательной недостаточности. Цель изучить безопасность и эффективность ингаляционной терапии t-Не/О2 в лечении острой дыхательной недостаточности пациентов с СOVID-19 на фоне стандартной терапии. Материалы и методы. В одноцентровое рандомизированное проспективное исследование было включено 70 пациентов с COVID-19. Пациенты были разделены на две группы: в первой (n = 38) в стандартный протокол лечения COVID-19 была включена терапия t-Не/О2 ; во второй (n = 32) проводилась стандартная терапия в соответствии с клиническими рекомендациями Минздрава России для больных с COVID. В первой группе соотношение мужчины/женщины 18/20, а во второй 18/14. Средний возраст пациентов в исследовании составлял 53,5 года (43 года мужчины; 62 года женщины), в первой группе 56 лет (42 и 64 года соответственно), во второй 52 года (43 и 66 лет). У всех пациентов имелись КТ-признаки поражения легких по типу матового стекла, участки консолидации. Тест РНК коронавируса SARS-CoV-2 положительный в первой группе у 30 пациентов, во второй у 28. Пациенты сопоставимы по полу, возрасту, индексу массы тела (ИМТ), площади поражения легочной паренхимы, лабораторным данным. Всеми пациентами было подписано информированное добровольное согласие на участие в исследовании. Результаты. Вследствие применения термической гелий-кислородной смеси на фоне стандартной терапии ни у одного пациента объективных побочных эффектов, связанных с процедурой, не выявлено. У всех пациентов обнаружены следующие изменения: повышение pО2 /FiO2, SpO2 и уровня лимфоцитов, снижение концентрации С-реактивного белка, восстановление уровней Д-димера, ферритина. Эти признаки статистически значимо изменились в первой группе в течение 3 сут, тогда как во второй группе на 710-е сут терапии. Элиминация вируса SARS-CoV-2 в первой группе происходила в течение 4872 ч от момента начала ингаляции, что подтверждалось методом ПЦР, а во второй в течение 72168 ч. Заключение. Включение ингаляций термической газовой смеси гелия с кислородом (t-Не/О2 ) в стандартную терапию пациентов, переносящих инфекционное заболевание, вызванное SARS-CоV-2, c КТ-признаками пневмонии (КТ2, КТ3), с острой дыхательной недостаточностью улучшает газообмен, способствует ускорению элиминации вируса и опосредованно повышает противовоспалительный эффект

Systems of Hess-Appel'rot type

We construct higher-dimensional generalizations of the classical Hess-Appel'rot rigid body system. We give a Lax pair with a spectral parameter leading to an algebro-geometric integration of this new class of systems, which is closely related to the integration of the Lagrange bitop performed by us recently and uses Mumford relation for theta divisors of double unramified coverings. Based on the basic properties satisfied by such a class of systems related to bi-Poisson structure, quasi-homogeneity, and conditions on the Kowalevski exponents, we suggest an axiomatic approach leading to what we call the "class of systems of Hess-Appel'rot type".Comment: 40 pages. Comm. Math. Phys. (to appear