Компьютерная система ГЕНЭКСПРЕСС
Для решения этих задач в Институте цитологии и генетики в течение 20 лет проводятся крупномасштабные исследования в области информационной биологии. Их результаты интегрированы в рамках сверхбольшой компьютерной системы ГЕНЭКСПРЕСС, содержащей десятки оригинальных, созданных нами баз данных, баз знаний и комплексов программ для анализа и моделирования генетических макромолекул и фундаментальных генетических систем и процессов. ГЕНЭКСПРЕСС не имеет аналогов и является первой в мировой науке компьютерной системой, интегрирующей информационные и программные ресурсы по регуляции функции генов.
Качественная схема процессов
10. БАЗА ДАННЫХ GENENET: генная сеть
Генная сеть - группа координированно функционирующих генов, контролирующих физиологические, биохимические и молекулярные функции организмов. В настоящее время в научной литературе опубликованы десятки тысяч статей, содержащих информацию о структурно-функциональной организации генных сетей. Однако до настоящего времени она не описывалась и не систематизировалась в компьютерных базах данных. Для решения этой задачи нами разработана компьютерная система GeneNet. База данных GeneNet содержит описание десятков генных сетей человека, животных, растений и микроорганизмов и не имеет аналогов в мировой науке. Зарубежные фармакологические и биотехнологические фирмы проявляют к ней большой интерес.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ГЕННАЯ СЕТЬ – ГРУППА ГЕНОВ, КООРДИНИРОВАННО ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ, БИОХИМИЧЕСКИХ, ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И ДРУГИХ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА
Обязательные компоненты любой генной сети:
· Группа координированно функционирующих генов
· Белки и мРНК, кодируемые этими генами (структурные белки, ферменты, транскрипционные факторы и т.д.)
· Пути передачи сигналов
· Регуляторные контуры: отрицательные и положительные обратные связи
· Внешние сигналы, гормоны, метаболиты и т.д.
11. БАЗА ДАННЫХ GENENET: классы элементарных структур и событий
В рамках этого подхода все компоненты генной сети подразделяются на два класса: элементарные структуры - гены, РНК, белки и различные метаболиты) и элементарные события или взаимодействия между структурами - реакции и регуляторные события
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
КЛАССЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СТРУКТУР И СОБЫТИЯ, ЗНАЧИМЫХ ДЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЕННЫХ СЕТЕЙ
12. БАЗА ДАННЫХ GENENET: примеры графического представления
На рисунке приведены примеры графического представления в базе данных GeneNet реакций и регуляторных событий: транскрипции, трансляции, формирования и распада мультимерного комплекса, ферментного синтеза, активации и подавления транскрипции. В основе организации генных сетей лежит ограниченный набор элементарных структур, событий и процессов. Комбинируясь, они порождают огромное разнообразие генных сетей и режимов их функционирования.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ПРИМЕРЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СТРУКТУР И СОБЫТИЙ, ЗНАЧИМЫХ ДЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЕННЫХ СЕТЕЙ
13. БАЗА ДАННЫХ GENENET: формализованное описание элементарных событий
Разработан специальный язык для описания элементарных событий в генных сетях. На этом рисунке дан пример описания элементарной реакции в генной сети дифференцировки эритроцитов - синтеза гема из предшественников - двухвалентного железа (Fe++) и протопорфирина IX (Proto IX) под действием фермента феррохелатазы.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ФОРМАЛИЗОВАННОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СОБЫТИЙ
Синтез гема (Heme) из протопорфирина IX (ProtoIX) и двухвалентного железа (Fe++) под действием фермента феррохелатазы (FCH).
14. БАЗА ДАННЫХ GENENET: программа для ввода информации
На рисунке показан пример программы для ввода информации в базу данных GeneNet через Интернет
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ПРОГРАММА ДЛЯ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В БАЗУ ДАННЫХ GENENET ЧЕРЕЗ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ
15. БАЗА ДАННЫХ GENENET: основные типы генных сетей
Проведенный нами анализ выявил 5 типов генных сетей с качественно различающимися функциями:
Ø Генные сети, обеспечивающие постоянство параметров внутренней среды организмов (гомеостаз)
Ø Генные сети, контролирующие процессы дифференцировки клеток, морфогенеза тканей и органов, роста и развития организмов.
Ø Генные сети, обеспечивающие стрессовые реакции организмов на изменение состояния внешней среды.
Ø Генные сети, обеспечивающие циклическое выполнение процессов (типичный пример – генная сеть, контролирующая клеточный цикл).
Ø Генные сети, обеспечивающие передачу наследственной информации и воспроизведение организма.
16. БАЗА ДАННЫХ GENENET: центральный фрагмент генной сети
Ключевую роль в функционировании генных сетей, обеспечивающих гомеостаз, играют регуляторные контуры с отрицательными обратными связями, поддерживающие контролируемый параметр X вблизи определенного уровня X0 (рис. 8 г) На рисунке показан центральный фрагмент генной сети, обеспечивающей биосинтез холестерина и постоянство его концентрации в клетках. Обозначения таковы. Центральный круг - ядро, периферия - цитоплазма, внешняя полоса - мембрана клетки; гены - прямоугольники, белки - круги, метаболиты - синие квадраты; реакции и регуляторные события - стрелки. Путь биосинтеза холестерина из ацетил-коэнзима А контролируется по механизму отрицательной обратной связи. Центральный регулятор генов, кодирующих ферменты этого пути, транскрипционный фактор SREBP, активирующий транскрипцию кассеты этих генов и тем самым усиливающий продукцию холестерола. Фактор SREBP образуется из предшественника preSREBP под действием стерол-зависимой протеазы. При повышении уровня холестерола активность протеазы подавляется, что снижает скорость образования фактора SREBP и его концентрацию. Тем самым снижается активность генов, кодирующих ферменты этого пути, и уровень холестерола нормализуется. Так работает отрицательная обратная связь, контролирующая концентрацию холестерина. Всего эта генная сеть включает несколько сотен генов.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ФРАГМЕНТ ГЕННОЙ СЕТИ БИОСИНТЕЗА ХОЛЕСТЕРИНА В КЛЕТКЕ (РЕГУЛЯЦИЯ ПО МЕХАНИЗМУ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
17. БАЗА ДАННЫХ GENENET: химико-кинетическое описание элементарных событий в генной сети
Для количественной характеристики динамики генных сетей строятся их математические модели. Каждый из элементарных процессов в генной сети описывается уравнением химической кинетики. На рисунке представлено химико-кинетическое описание трех событий в сети липидного метаболизма: (1) превращение мевалоновой кислоты в 5'-фосфат мевалоновую кислоту (мономолекулярная реакция); (2) формирование димерного белка из двух субъединиц транскрипционного фактора SREBP1 (бимолекулярная реакция); (3) ферментативная реакция превращения пресквален-дифосфата в сквален.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ПРИМЕРЫ ХИМИКО-КИНЕТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СОБЫТИЙ В ГЕННОЙ СЕТИ ЛИПИДНОГО МЕТАБОЛИЗМА
18. БАЗА ДАННЫХ GENENET: фрагмент системы дифференциальных уравнений
Модель генной сети описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Фрагмент модели биосинтеза холестерина представлен на рисунке. Она описывает 65 элементарных процессов, характеризующихся 93 константами. Примеры ряда констант приведены в нижней части рисунка.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ФРАГМЕНТ СИСТЕМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕГУЛЯЦИИ БИОСИНТЕЗА ХОЛЕСТЕРИНА В КЛЕТКЕ
| Константы мономолекулярных реакций, с-1 | KISBfree = 1*10-02, Ksrpcdeg = 2.5*10-05, Kfre____ = 1*10-02, KLDLRdeg = 1.93*10-6, KsynLDL = 3.32*10-02, KutiLDL = 3.21*10-06, KdegLRin = 1.93*10-06 | |
| Константы бимолекулярных реакций | л*ммоль-1*с-1 | с-1 |
| Kclaw1 = 3.3*10-01 | Kclaw2 =1*10-03 | |
| Константы ферментативных реакций | Константы оборота фермента, с-1 | Константы Михаэлиса, ммоль/л |
| KISBestr = 1*10+02, KISBhydr = 1.9*10+03,KISBldlr = 1*10-1 | KMSBestr = 6.67*10-03, KMSBhydr = 7.6*10-01, KMSBldlr = 3.3*10-05 |
19. БАЗА ДАННЫХ GENENET: примеры соответствия между рассчитанными и экспериментально наблюдаемыми характеристиками системы липидного метаболизма
Здесь представлены примеры соответствия между рассчитанными и экспериментально наблюдаемыми характеристиками системы липидного метаболизма: (i) равновесная кривая связывания липопротеина низкой плотности LDL с клеточной мембраной и (ii) динамика связывания рецептора LDL с клеточной мембраной после подавления его биосинтеза в организме. Видно хорошее совпадение экспериментальных и рассчитанных величин.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ПРИМЕРЫ СООТВЕТСТВИЯ МЕЖДУ РАССЧИТАННЫМИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО НАБЛЮДАЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СИСТЕМЫ ЛИПИДНОГО МЕТАБОЛИЗМА
Равновесная кривая связывания липопротеина низкой плотности (LDL) с клеточной мембраной
Динамика связывания LDL с клеточной мембраной после подавления его биосинтеза в организме
20. БАЗА ДАННЫХ GENENET: модель генной сети липидного метаболизма
помощью модели можно исследовать динамику генной сети липидного метаболизма в норме и при мутациях. Кривыми красного цвета на рисунке изображена рассчитанная с помощью модели динамика концентрации холестерина в плазме и клетке в ответ на пиковое увеличении в крови концентрации липидов. Нормализация уровня липидов происходит через 30-40 минут после пиковой нагрузки. Кривыми синего цвета представлены расчеты динамики при мутации по гену LDL-рецептора, двукратно снижающей число этих рецепторов на клеточной мембране, и тем самым транспорт холестерина в клетку. Концентрация холестерина в плазме в этом случае существенно выше, чем в норме, как в стационарном состоянии, так и при пиковом поступлении липидов в организм. Полученные эффекты совпадают с экспериментальными наблюдениями, которые характерны для мутации по этому гену Исследование генной сети липидного метаболизма в норме и при мутациях представляет большой интерес с медицинской и фармакологической точек зрения, так как нарушения именно в этой генной сети ответственны за большое число тяжелых и патологий, таких, как атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, инсульты и т.д.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
МОДЕЛЬ ГЕННОЙ СЕТИ ЛИПИДНОГО МЕТАБОЛИЗМА
(СТАЦИОНАРНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ОТВЕТНАЯ РЕАКЦИЯ НОРМАЛЬНЫХ И МУТАНТНЫХ КЛЕТОК НА ПОВЫШЕНИИ СОДЕРЖАНИЯ ЛНП В КРОВИ)
21. БАЗА ДАННЫХ GENENET: фрагмент генной сети активации макрофага
этом рисунке представлен фрагмент генной сети активации макрофага - типичной генной сети стрессового ответа. Макрофаги - важнейшая компонента защиты организма от бактериальных инфекций. Активированный макрофаг, согласно представленной здесь схеме, синтезирует NO - окись азота, убивающую бактерии.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ФРАГМЕНТ ГЕННОЙ СЕТИ, КОНТРОЛИРУЮЩЕЙ СИНТЕЗ NO ПРИ АКТИВАЦИИ МАКРОФАГА
|
22. БАЗА ДАННЫХ GENENET: моделирование влияния мутации на динамику синтеза NO
Математическая модель генной сети активации макрофага дает возможность рассчитывать кинетику синтеза окиси азота при инфекциях. Синяя кривая - активация синтеза окиси азота в норме, а красная - при мутации, увеличивающей в 10 раз содержание рецептора CD14. Видно, что при мутации уровень окиси азота существенно выше, чем в норме. Такая мутация опасна для организма из за высокого токсического эффекта окиси азота. Возникает вопрос: можно ли оказать воздействие на мутантную генную сеть, добившись нормализации ее функции? Моделирование показывает, что этого можно достигнуть введением фармакологической субстанции, связывающей избыток рецептора CD14. Видно (зеленая кривая), что в этом случае динамика синтеза окиси азота при активации совпадает с нормой. Фактически в данном случае речь идет о решении задачи управления динамической системой, описываемой обыкновенными дифференциальными уравнениями.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИИ НА ДИНАМИКУ СИНТЕЗА NO ПРИ АКТИВАЦИИ МАКРОФАГА
23. БАЗА ДАННЫХ GENENET: обязательные компоненты
Эта задача относится к числу важнейших для фармакологии третьего поколения, создаваемой в ведущих фармакологических фирмах мира. Основная стратегия новых подходов в фармакологии - индивидуальный генотип-специфический подбор фармацевтических препаратов для коррекции заболеваний человека. При этом выбор оптимальных стратегий коррекции основан на моделировании функции генных сетей.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
Обязательные компоненты:
Возможность индивидуального генотип-специфического подбор фармацевтических препаратов для коррекции заболеваний человека.
Выбор оптимальных стратегий коррекции индивидуальных генетических дефектов на основе компьютерного анализа и моделирования функции нарушенных генетически контролируемых систем и процессов организма.
24. БАЗА ДАННЫХ GENENET: фрагмент генной сети дифференцировки и созревания эритроцитов
Положительные обратные связи обеспечивают эффективное отклонение контролируемого параметра Х от его текущего значения. Они играют ключевую роль в генных сетях роста и дифференцировки клеток, морфогенеза органов, роста и развития организмов, при которых система непрерывно уходит от своего текущего состояния. Например, генная сеть дифференцировки и созревания эритроцитов контролируется по механизму положительной обратной связи. Исследование и моделирование генных сетей, контролирующих функции кроветворения, имеют фундаментальное значение для понимания процессов клеточной дифференцировки, а в прикладном плане - для поиска путей фармакологической коррекции патологий системы кроветворения.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ФРАГМЕНТ ГЕННОЙ СЕТИ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ И СОЗРЕВАНИЯ ЭРИТРОЦИТОВ
25. БАЗА ДАННЫХ GENENET: фрагмент генной сети развития цветка
По механизму положительной обратной связи функционирует также система генных сетей, контролирующих развитие цветка. При этом за формирование каждого органа цветка - тычинки, пестика, лепестка и чашелистика отвечает отдельная сеть. Взаимодействуя и конкурируя друг с другом, эти генные сети контролируют сложный, многоэтапный процесс развития цветка. Изучение этих генных сетей важно для понимания механизмов морфогенеза растений и решения задач растительной биотехнологии, в том числе создания растений с качественно новыми морфологическими характеристиками.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ФРАГМЕНТ ГЕННОЙ СЕТИ ФОРМИРОВАНИЕ ЦВЕТКА
26. БАЗА ДАННЫХ GENENET: фрагмент генной сети контролирующей процесс апоптоза
Здесь показана замечательная генная сеть, контролирующая процесс клеточной смерти - апоптоз. Эта генная сеть играет ключевую роль в убийстве раковых клеток на ранних стадиях канцерогенеза. С другой стороны, дефекты в генной сети апоптоза являются одним из факторов возникновения раковых трансформаций клеток. Этим и объясняется значимость изучения генной сети апоптоза как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ФРАГМЕНТ ГЕННОЙ СЕТИ, КОНТРОЛИРУЮЩЕЙ ПРОЦЕСС КЛЕТОЧНОЙ СМЕРТИ – АПОПТОЗА
27. БАЗА ДАННЫХ GENENET: теория генных сетей
Локальные генные сети иерархически объединяются в глобальную генную сеть организма. В геноме человека имеется до 35 тысяч генов. Можно представить насколько огромно количество взаимодействий между генами глобальной генной сети, а также уровень ее сложности, который принципиально не может быть понят без применения методов математического анализа и моделирования. Парадигма генетики начала века основывалась на том, что один ген кодирует один признак. Она сыграла свою роль, позволив доказать, что существуют очень просто, с генетической точки зрения, контролируемые признаки. В настоящее время идет становление новой парадигмы, утверждающей, что фенотипический признак организма - это продукт функционирования определенной генной сети. Теория генных сетей позволяет изучать функциональные взаимосвязи между генами в норме и при мутациях, оценивать действие фармакологических препаратов, выбирать стратегии коррекции нарушений генной сети при заболеваниях. Это направление является одной из горячих точек информационной биологии. Согласно оценкам экспертов, в ближайшие годы объем ивестиций фармацевтических и биотехнологических фирм мира в теорию генных сетей составят около 3 миллиардов долларов.
БАЗА ДАННЫХ GENENET:
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ИНТЕГРАЦИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ГЕННЫХ СЕТЕЙ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ ОТДЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ГЛОБАЛЬНУЮ ГЕННУЮ СЕТЬ ОРГАНИЗМА
