Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 13
1.1 ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕННЫХ
СЕТЕЙ 13
1.2 Генная сеть, контролирующая гомеостаз холестерина в клетках позвоночных 15
1.3 Молекулярно-генетические механизмы регуляции ДЫХАНИЯ Escherichia сои 23
1.3.1 Аэробное дыхание 26
1.3.2 Глобальные регуляторы аэробного дыхания у E.coli 29
1.3.3 Анаэробное дыхание 33
1.3.4 Глобальные регуляторы анаэробного дыхания у E.coli 35
1.3.5 Генная сеть регуляции дыхания у E.coli 38
1.4 Методы моделирования динамики молекулярно-генетических
СИСТЕМ... 43
1.4.1 История развития и обзор современных подходов и методов моделирования МГС 43
1.4.2 Обзор математических моделей исследуемых в работе молекулярно-генетических систем 49
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА
ДИНАМИКИ ГЕННЫХ СЕТЕЙ 51
2.1 Обобщенный химико-кинетический метод моделирования динамики генных сетей 51
2.2 Технология моделирования генетически регулируемого метаболизма бактериальной клетки: метод обобщенных функций Хилла 57
2.3 База данных по динамике и равновесным состояниям генных
СЕТЕЙ 64
2.4 Методы верификации моделей 66
2.4.1 Замещение отдельных частей модели их более простыми аналогам или таблицами 67
2.4.2 Проецирование модели на частные задачи 68
2.4.3 Эволюционные методы верификации моделей 69
ГЛАВА 3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ГЕННОЙ СЕТИ, КОНТРОЛИРУЮЩЕЙ ГОМЕОСТАЗ
внутриклеточного холестерина 71
3.1 Компьютерная модель генной сети, контролирующей гомеостаз
внутриклеточного холестерина 71
3.1.1 Процессы поступления и утилизации низкомолекулярных веществ в системе внутриклеточного синтеза холестерина 71
3.1.2 Моделирование метаболического пути синтеза холестерина в клетке 72
3.1.2.1 Математическая модель регуляции активности ацетоацетил-СоА тиолазы (ЕС 2.3.1.9) 76
3.1.2.2 Математическая модель регуляции активности HMG-CoA синтазы (ЕС 2.3.3.10) 81
3.1.2.3 Математическая модель регуляции активности пренилтрансферазы (ЕС 2.5.1.1, ЕС 2.5.1.10) 85
3.1.3 моделирование процессов регуляции транспорта srebp из эндоплазматического ретикулума в аппарат гольджи и дальнейшая транспортировка активных транскрипционных факторов (тф) в ядро 89
3.1.4 моделирование процессов регуляции транскрипции генов, продукты которых участвуют в поддержании гомеостаза внутриклеточного холестерина, тф srebp-іаи srebp-2 91
3.1.5 Моделирование процессов созревания синтезированных мРНК и синтеза белков 98
3.1.6 Моделирование процессов поступления и утилизации липопротеинов низкой плотности (ЛНП) в плазме крови 99
3.1.7 Моделирование процессов рецептор-опосредованного эндоцитоза частиц ЛНП 99
3.1.8 Моделирование процессов депонирования холестерина в клетке в виде олеата 105
3.1.9 Моделирование модуляции активности HMG-CoA редуктазы 107
3.1.10 Моделирование холестерин-чувствительного процесса регуляции деградации HMG-CoA редуктазы 109
3.1.11 Моделирование процессов утилизации и деградации высокомолекулярных веществ в клетке 110
3.1.12 Верификация общей математической модели генной сети, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина 111
3.2 Моделирование влияния мутаций в генной сети,
контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина 117
3.2.1 Моделирование влияния мутаций в гене рецептора ЛНП на
равновесные и динамические характеристики генной сети ГОМЕОСТАЗА
ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО холестерина 117
3.2.2 Анализ мутационного портрета генной сети, контролирующей
гомеостаз холестерина в клетке 120
3.3 Моделирование эволюции диплоидной генной сети,
контролирующей гомеостаз холестерина в клетке 126
3.2.1 Процедура имитации эволюции 126
3.2.2 Моделирование эволюции генной сети при переходе из нормальной среды в среду с низким уровнем поступления экзогенного холестерина 127
3.2.3 Моделирование скрещиваний особей, имеющих диплоидные генные сети, адаптированные к различным средам 129
ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАНИЯ
КЛЕТКИ E.COLI. 131
4.1 математическая модель регуляции оперона nuoa-n 131
4.2 математическая модель регуляции экспрессии оперона ndh... 134
4.3 Математическая модель регуляции экспрессии оперона cydAB
ГТ 137
/ 4.5.1 Построение модели в терминах концентраций регуляторов 140
I 4.5.2 Построение модели, описывающей активность промотора cydAB в
^-зависимости от концентрации кислорода 141
4.4 Математическая модель регуляции экспрессии оперона
cyoABCDE 143
4.5.1 Построение модели в терминах концентраций регуляторов 144
4.5.2 Построение модели, описывающей активность промотора cyoABCDE в зависимости от концентрации кислорода 144
4.5 Построение потоковых моделей основных катаболических путей
клетки Е. сои. 147
4.5.1 Математическая модель скорости наработки ацетата в зависимости от уровня кислорода в среде в клетках дикого типа и мутанте ЛагсА 149
4.5.2 Математические модели скорости наработки этанола и муравьиной кислоты 150
4.5.3 Математическая модель зависимости потока углерода через цикл трикарбоновых кислот от содержания кислорода в среде 150
4.5.4 Математическая модель скорости потока углерода через пируватдегидрогеназный комплекс 151
4.5.5 Суммарная потоковая модель интенсивности дыхания клетки в зависимости от насыщенности среды кислородом 151
4.5.6 Математические модели скоростей потребления кислорода цитохром bd- и цитохром Ъо-оксидазами 152
4.6 Предсказание с помощью модели скорости потребления кислорода цитохром bd-оксидазой мутанта Afnr 154
4.7 Предсказание с помощью модели скорости потребления
кислорода цитохром во-оксидазой мутанта Afnr 155
заключение 157
ВЫВОДЫ 159
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 161
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. БАЗЫ ДАННЫХ ПО СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СПИСОК НАУЧНЫХ ГРУПП, РАБОТАЮЩИХ В ОБЛАСТИ СИСТЕМНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ БИОЛОГИИ.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ, РАЗРАБОТАННЫЕ АВТОРОМ.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ПОЛНОЕ ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, КОНТРОЛИРУЮЩЕЙ
ГОМЕОСТАЗ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО ХОЛЕСТЕРИНА.
Введение к работе
Актуальность проблемы
Одной из фундаментальных проблем постгеномной молекулярной биологии и генетики является исследование принципов организации и функционирования генных сетей (ГС) - молекулярпо-генетических систем (МГС), обеспечивающих формирование фенотипических (молекулярных, биохимических, физиологических, морфологических, поведенческих и др.) характеристик организмов.
Появление высокопроизводительных методов молекулярной биологии привело к накоплению огромных объемов экспериментальных данных по структурно-функциональной организации генных сетей и их молекулярпо-генетических компонент (генов, РНК, белков, ДНК-белковых, РНК-белковых, белок-белковых взаимодействий, генетически контролируемых метаболических путей, путей передачи сигналов и др.). Эта информация представлена в большом количестве публикаций и компьютерных базах данных (БД), описывающих различные аспекты функционирования генных сетей. Особенно быстрыми тепами накапливаются экспериментальные данные по биомедицински-значимым генным сетям, нарушение функционирования которых связаны с возникновением у человека различных заболеваний, а также по биотехнологически-значимым бактериальным генным сетям. Анализ этих экспериментальных данных принципиально невозможен без использования современных информационных технологий и эффективных математических методов анализа данных и моделирования биологических систем и процессов.
Для обобщения, систематизации и анализа информации о генных сетях требуется проведение широкомасштабных теоретических и компьютерных исследований. Это необходимо для понимания принципов их организации, молекулярных механизмов функционирования, закономерностей эволюции, оценки влияния мутаций на функцию генных сетей, реконструкции генных сетей на основе экспериментальных данных, для создания генетически-модифицированных генных сетей с заданными характеристиками их функционирования. Именно поэтому теоретическое исследование динамики генных сетей методами математического моделирования приобретает в настоящее время фундаментальное и первоочередное значение.
Цели и задачи работы
Целью настоящей работы является исследование динамических особенностей функционирования генных сетей, контролирующих гомеостаз внутриклеточного холестерина (ХС) и процессы дыхания в клетке Е.соїі, на основе методов математического
моделирования, а также проведение компьютерного анализа влияния мутаций на функцию генных сетей.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Построение математической модели генной сети, контролирующей гомеостаз холестерина в клетке на основе обобщенного химико-кинетического подхода.
2. Исследование влияния мутаций, изменяющих функцию рецептора липопротеинов низкой плотности (ЛНП) на стационарные и динамические характеристики генной сети, контролирующей гомеостаз холестерина в клетке.
3. Исследование мутационного портрета генной сети, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина на основе анализа чувствительности стационарного содержания свободного холестерина в клетке к мутационным изменениям молекулярно-генетических процессов, протекающих в этой генной сети.
4. Исследование эволюции генной сети, контролирующей гомеостаз холестерина в клетке, в условиях изменения поступления экзогенного холестерина в систему.
5. Моделирование и анализ молекулярно-генетических механизмов регуляции экспрессии основных компонентов генной сети, контролирующей дыхание в клетке E.coli, оперонов cyoABCDE, cydAB, nuoA-N и ndh, кодирующих цитохром bo-оксидазу, цитохром bd-оксидазу, NADH-дегидрогеназу I и II, соответственно.
6. Моделирование динамики функционирования системы регуляции дыхания в клетках дикого типа и АагсА и Afnr мутантах в зависимости от концентрации кислорода в среде.
Научная новизна
В рамках обобщенного химико-кинетического подхода, с использованием информации, представленной в базе данных GeneNet
(http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/systems/mgl/genenet/), впервые построена и исследована математическая модель генной сети, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина. Впервые проведен компьютерный анализ чувствительности стационарного содержания свободного холестерина в клетке к мутационным изменениям скоростей молекулярно-генетических процессов в генной сети, контролирующей гомеостаз . внутриклеточного холестерина. Показано, что наибольшее влияние на концентрацию свободного холестерина в клетке оказывают мутации, затрагивающие регуляторные процессы. Впервые с помощью компьютерного моделирования исследованы закономерности эволюции генной сети, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина, в условиях изменения поступления экзогенного холестерина в систему.
Впервые построены математические модели, описывающие в терминах обобщенных функций Хилла влияние кислорода на регуляцию экспрессии оперонов nuoA-N, ndh, cydAB и cyoABCDE, кодирующих основные ферментативные комплексы системы дыхания клетки. Показано, что в функционировании оперонов cydAB и cyoABCDE важную роль играют синергические взаимодействия между транскрипционными факторами АгсА и Fnr. Впервые построены потоковые модели основных катаболических путей в клетке E.coli в зависимости от насыщенности среды кислородом. С помощью математического моделирования показано, что вклад различных катаболических путей в суммарное потребление кислорода клеткой E.coli зависит от его содержания во внешней среде. Впервые построены и исследованы математические модели эффективности функционирования цитохром bd- и цитохром bo-оксидаз в клетках дикого типа и мутантов ЛагсА и Afnr в зависимости от насыщенности среды кислородом.
Теоретическая и практическая ценность работы
Математические модели генных сетей, построенные в настоящей работе, являются инструментом для анализа функционирования МГС, контролирующих гомеостаз внутриклеточного холестерина и процессы дыхания в клетке E.coli. Компьютерные эксперименты, проводимые с помощью этих моделей, позволяют предсказывать динамику процессов, протекающих в рассматриваемых системах, исследовать их механизмы, выявлять ключевые звенья в генных сетях, анализировать влияние мутаций на МГС.
Математическая модель генной сети, контролирующей гомеостаз холестерина в клетке, может быть полезна для изучения ее функционирования в норме и при различных патологических состояниях. В работе с помощью математической модели показано, что мутации, затрагивающие регуляторные процессы генной сети, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина, наибольшим образом сказываются на стационарной концентрации свободного холестерина в клетке. К изменениям в других процессах генной сети стационарная концентрация холестерина в клетке достаточно устойчива. Особую ценность результаты исследования «мутационных портретов» генных сетей представляют при решении задач, направленных на выявление оптимальных мишеней фармакологической регуляции и планирования экспериментов по генотипированию биомедицински-значимых МГС.
В работе развит метод обобщенных функций Хилла, главная особенность которого состоит в том, что он позволяет строить адекватные математические модели молекулярно-генетических систем и процессов при ограниченной информации о тонких механизмах их протекания.
Практическая значимость построенных в работе моделей компонентов генной сети дыхания клетки E.coli состоит в том, что они могут быть использованы при исследовании факторов, отвечающих за переключение режимов функционирования цепи переноса электронов на генетическом и метаболическом уровнях. Модели могут быть использованы для проведения компьютерных экспериментов по анализу функционированию системы дыхания клетки E.coli в различных условиях внешней среды. Представленный в работе подход построения обобщенных потоковых моделей является одним из способов создания минимальных моделей функционирования МГС, контролирующих жизненно-важные функции прокариотической клетки в зависимости от различных характеристик среды. Создание такого рода моделей очень перспективно в плане решения проблем оптимизации биотехнологических процессов.
Апробация работы
Материалы работы были представлены на отчетных сессиях Института цитологии и генетики СО РАН 2002 и 2004 годов. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях и семинарах: Dagstuhl Seminar "Functional Genomics" Information and Simulation Systems for the Analysis of Gene Regulation and Metabolic Pathways (Дагштуль, Германия, 2001); the Gordon Research Conference "Bioinformatics: From Inference to Predictive Models" (Тилтон, Нью Хэмпшир, США, 2001); 10th and 12th International Conference on Intelligent Systems for Molecular Biology (Эдмонтон, Канада, 2002; Глазго, Великобритания, 2004); 2nd, 3rd, 4th European Conference on Computational Biology (Париж, Франция, 2003; Глазго, Великобритания, 2004; Мадрид, Испания, 2005); 2nd, 3rd and 4th International Conferences on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (Новосибирск, Россия, 2000, 2002, 2004); Moscow Conferences on Computational Molecular Biology (Москва, Россия, 2003, 2005); German Conference on Bioinformatics (Мюнхен, Германия, 2003); 43rd and 45th International Conferences on the Bioscience of Lipids (Грац, Австрия, 2002; Иоаннина, Греция, 2004).
Публикации
По теме диссертации опубликовано: одиннадцать работ в рецензируемых журналах, три в рецензируемых коллективных монографиях, двадцать в рецензируемых трудах конференций и двадцать тезисов конференций.
Структура работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы (278 наименований), четырех приложений, а также списка используемых в работе сокращений. Материал изложен на 179 страницах, содержит 70 рисунков и 12 таблиц. Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены особенности структурно функциональной организации генной сети, контролирующей гомеостаз холестерина в клетках позвоночных, и молекулярно-генетические механизмы регуляции дыхания E.coli. Представлен обзор современных подходов и методов моделирования МГС и история их развития.
Вторая глава носит методический характер, в ней дается описание обобщенного химико-кинетического метода моделирования динамики генных сетей, технологии моделирования генетически регулируемого метаболизма бактериальной клетки, на основе метода обобщенных функций Хилла, а также рассмотрены некоторые методы верификации математических моделей.
В третьей и четвертой главах проведено компьютерное моделирование и теоретический анализ динамики генных сетей, контролирующих гомеостаз внутриклеточного холестерина и процессы дыхания в клетке E.coli.
Благодарности
Выражаю свою искреннюю благодарность научному руководителю диссертации Н.А.Колчанову. Считаю своим приятным долгом поблагодарить В.А.Лихошвая, моего учителя в области математического моделирования молекулярно-генетических систем, без которого не состоялось бы настоящей работы. Выражаю свою благодарность Е.В.Игнатьевой, на основе реконструированной ею генной сети, было начато математическое моделирование молекулярно-генетической системы, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина. Выражаю свою благодарность Т.М.Хлебодаровой и Н.В.Апасьевой за оказанную ими неоценимую помощь в написании литературного обзора по системе респирации клетки E.coli. Выражаю свою благодарность К.Д.Безматерных за оказанную им помощь в идентификации параметров моделей ферментативных реакций метаболического пути биосинтеза холестерина в клетке. Выражаю свою благодарность Ю.Г.Матушкину и И.И.Титову за ценные замечания и предложения, сделанные в ходе плодотворного обсуждения работы.
