Введение к работе
Актуальность проблемы. Выявление механизмов реализации генетической информации в процессе роста и развития живых организмов является центральной проблемой биологии. В результате интенсивных исследований на животных и растениях биология развития добилась впечатляющих успехов. Однако, проблема генетического контроля фенотипов тканей и органов остается нерешенной.
В последние годы в биологии развивается новое направление - системная биология, целью которой является получение информации о биологическом объекте как о системе взаимодействующих компонент и процессов. Данная работа посвящена изучению динамики экспрессии генов в сети генов gap при мутационном повреждении одного из генов этой сети - гена Kr.
Картины активности генов gap в мутантах по гену Kr характеризуются более сильным сдвигом задней области экспрессии гена gt, чем у эмбрионов дикого типа, перекрыванием позиций задних областей экспрессии генов gt и кгщ и значительным падением уровня экспрессии всех генов gap во второй половине цикла 14А.
К настоящему времени проведен детальный анализ динамики системы генов gap у эмбрионов дикого типа. В этих исследованиях была выполнена реконструкция сети генов gap, исследована динамика формирования областей экспрессии этих генов и выявлены регуляторные механизмы, обеспечивающие характерные особенности этой динамики, а также ее устойчивость (Jaeger et al., 2004b,а; Самсонова et al., 2006).
Результаты проведенных исследований указывают на то, что продукт гена Kr является репрессором и, поэтому феномен значительного снижения уровней экспрессии генов gap у мутантов по этому гену может показаться парадоксальным и контринтуитивным. Таким образом, актуальность работы состоит в необходимости объяснения неожиданных особенностей экспрессии генов gap у этих мутантов.
Несмотря на большой объем информации о регуляторных взаимодействиях генов сегментации (Akam, 1987; Ingham and Gergen, 1988; Корочкин, 2002), наши знания о механизмах регуляции этих генов являются далеко не полными. С одной стороны, это объясняется неполнотой экспериментальных данных о регуляторных взаимодействиях. С другой стороны, отсутствует доказательство достаточности выявленных регуляторных механизмов, которые в принципе невозможно получить без реконструкции изучаемого объекта ah initio из отдельных, хорошо контролируемых компонентов. Очевидно, что современные экспериментальные методы не позволяют провести такую реконструкцию, и, следовательно, она должна быть проведена in silico с помощью математического моделирования и численных расчетов (Ратушный et al., 2005).
Исследования в области системной биологии основываются на использовании разнообразного программного обеспечения для обработки и получения точных экспериментальных данных, разработки моделей, решения обратной задачи математического моделирования и т.д.
В данной работе предлагается комплекс программ для поддержки компьютерных исследований в области системной биологии, включая обработку изображений биологических объектов, получаемых с помощью микроскопов, и пространственную регистрацию одномерных картин экспрессии генов, а также сценарий, использующий этот комплекс, для количественной оценки уровня экспрессии генов сегментации у дрозофилы.
Определение точных количественных характеристик биологических объектов, таких, как концентрация и пространственная локализация белков и мРНК, оценка скорости диффузии и транспорта молекул внутри клетки, и т.д. имеет важное значение. Решение такой задачи становится возможным лишь благодаря применению проблемно- ориентированного программного обеспечения к экспериментальным данным в виде изображений. Создание системы высокопроизводительной обработки и интеллектуального анализа изображений является актуальной задачей.
Другим важным классом программ являются пакеты программ для решения обратной задачи математического моделирования. Несмотря на огромный прогресс молекулярной биологии в последние годы, многие параметры взаимодействий биологических молекул все еще не могут быть измерены в экспериментах и, поэтому, их приходится находить путем подгонки решений модельных уравнений к экспериментальным данным по экспрессии генов.
Комплекс методов и компьютерных программ, предлагаемый в данной работе, может быть использован для получения новых биологических знаний об изучаемом объекте через обработку первичных экспериментальных данных в виде изображений, формулировку математической модели и определение неизвестных констант путем подгонки результатов моделирования к экспериментальным данным. В работе с помощью такой процедуры реконструирована регуляторная сеть генов сегментации в эмбрионе дрозофилы и предложено объяснение механизма формирования характерных картин экспрессии генов gap у мутантов по гену Kr.
Цели и задачи работы. Целью работы являлась реконструкция регуляторной сети генов сегментации в эмбрионе дрозофилы по экспериментальным данным - изображениям картин экспрессии генов gap при изменении структуры этой генной сети в результате мутации по гену Kr, а также объяснение механизмов формирования характерных картин экспрессии генов gap у таких мутантов.
В работе были поставлены следующие задачи:
-
Разработать комплекс программ для компьютерной поддержки исследований в области системной биологии, включая обработку изображений биологических объектов, получаемых с помощью микроскопов, и пространственную регистрацию одномерных картин экспрессии генов, а также сценарий, использующий этот комплекс, для количественной оценки уровня экспрессии генов сегментации у дрозофилы.
-
Разработать эффективные методы решения обратной задачи математического моделирования, которые позволяют определять параметры взаимной регуляции генов путем подгонки результатов моделирования к количественным данным двух генотипов - дикого и мутантного - одновременно.
-
С использованием разработанных методов провести реконструкцию регуляторной сети генов сегментации в эмбрионе дрозофилы по экспериментальным данным - изображениям картин экспрессии генов gap у мутантов по гену Kr и объяснить механизм формирования характерных картин экспрессии генов gap у таких мутантов.
Научная новизна. В настоящей работе впервые:
Разработан сценарий для количественной оценки уровня экспрессии генов сегментации у дрозофилы, с использованием комплекса программ для компьютерной поддержки исследований в области системной биологии, реализованного в виде пакетов программ ProStack и BREReA.
-
Разработана модификация глобального стохастического метода решения обратной задачи математического моделирования, которая использует для повышения эффективности несколько критериев качества для каждого набора параметров модели.
ка для поиска минимума функционала качества на основе необходимого условия стационарности первого порядка, и использующий тригонометрическое преобразование условий типа неравенств в эквивалентные равенства с дополнительным параметром.
оне дрозофилы, которая корректно воспроизводит характерные черты картин экспрессии генов gap у мутантов по гену Kr.
сии генов gap у мутантов по гену Kr.
Теоретическая и практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в том, что в ней впервые разработан комплекс программ для компьютерной поддержки исследований в области системной биологии, реализованный в виде пакетов программ ProStack и BREReA, который может быть использован для получения количественных данных, в частности для подгонки математических моделей.
Созданное для этого программное обеспечение ProStack было успешно применено для обработки оптических срезов изображений картин экспрессии генов в ядрах эмбрионов дрозофилы, для получения количественных данных по экспрессии генов в раннем развитии коралла Acropora millepora и морского анемона Nematostella vectensis (К. et al., 2007). Разработанная платформа ProStack получила высокую оценку в ведущих исследовательских лабораториях в Институте цитологии РАН (СПб, Россия), Кембриджском университете (Великобритания), Университетах Чикаго и Стони-Брук (США), а также в Университете Амстердама (Нидерланды), коллективы которых участвуют в апробации системы в тесном сотрудничестве авторами. Программное обеспечение доступно через сеть Интернет по адресу
.
Разработаны эффективные методы решения обратной задачи математического моделирования, а именно модификация глобального стохастического метода и метод оптимального наискорейшего спуска для поиска минимума функционала качества на основе необходимого условия стационарности первого порядка (). Проведенные численные эксперименты на тестовой задаче показали высокую эффективность параллелизации и превосходство в скорости сходимости над другими современными методами.
В работе исследуется важный вопрос биологии - механизм определения судьбы клеток в морфогенетических полях при отсутствии и наличии мутаций. Проведенные исследования вносят ценный вклад в лучшее понимание медицинских аспектов развития. В широком смысле, построение модели важнейшего биологического процесса - детерминации судьбы клеток - не является заключительным этапом научного исследования, а ведет к постановке новых задач в различных областях знаний.
Положения выносимые на защиту:
-
-
Разработанные алгоритмы и комплекс программ успешно решают прямую задачу оценки уровней экспрессии генов сегментации в эмбриогенезе дрозофилы.
-
Разработанный стохастический метод решения обратной задачи математического моделирования успешно реконструирует регу- ляторный контур генной сети, управляющей сегментацией в эмбрионе дрозофилы.
-
Картина экспрессии генов gap у мутантов по гену Kr определяется уменьшением активирующего воздействия гена cad и возросшим вкладом других генов, в первую очередь gt и hb.
Апробация работы. Материалы работы вошли в отчеты Отдела компьютерной биологии Центра перспективных исследований СПбГПУ по грантам Российского фонда фундаментальных исследований и в отчеты по темам научно-исследовательской работы.
По результатам работ автор был удостоин наград:
Победитель программы «Участник молодежного научно- инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2007 г.), номер проекта: 07-II-12-2, название проекта: «Разработка программного обеспечения для высокопроизводительной распределенной обработки изображений и визуального конструирования сценариев анализа данных на основе онтологии методов обработки изображений».
-
Лучший доклад на Политехническом симпозиуме «Молодые ученые - промышленности Северо-Запада» в 2007 г.
Комитета по науке Санкт-Петербурга молодым ученым, молодым кандидатам наук вузов и академических институтов.
малых форм предприятий в научно-технической сфере (2009 г.).
Результаты работы представлены на 15 российских и 7 зарубежных конференциях в виде устных докладов и стендовых сообщений, среди которых Международные конференции по биоинформатике, структуре и регуляции генома (BGRS2004, BGRS2006, BGRS2010, г. Новосибирск, 2004, 2006, 2010 ); приглашенный доклад на Международной школе- семинаре «Эволюционная биология и высокопроизводительные вычисления в биоинформатике» (г. Новосибирск, 2006); Международные конференции "Дни дифракции"(DD'03, DD'04, г. Санкт-Петербург, 2003, 2004); Московская конференция по компьютерной молекулярной биологии (МССМВ'09г. Москва, 2009); Десятая международная конференция по технологиям параллельных вычислений (PACT'09, г. Новосибирск, 2009); 4th и 5th International Symposium on Networks in Bioinformatics (ISNB'07, ISNB'08, Amsterdam, the Netherlands, 2007, 2008); Joint Cold Spring Harbor Laboratory/Wellcome Trust Conference on Computational Cell Biology (Hinxton, UK, 2008); доклады на семина- pax в Университете г. Нью-Йорк в Стони-Бруке, Университете Чикаго, Кэмбриджском университете, Университете Амстердама.
Кроме того результаты работы обсуждались на Санкт- Петербургском семинаре по компьютерной биологии.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 40 работы, из них 18 статей в рецензируемых и ведущих научных журналах,
11 из которых входят в список ВАК. Результаты так же опубликованы в трудах конференций. По тематике исследования получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2009611452, от 07.04.09.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, трех глав, содержащих основные результаты, заключения, выводов и списка используемой литературы, содержащего 181 ссылку Работа изложена на 146 страницах, содержит 46 рисунков и 4 таблицы. Нумерация рисунков, таблиц и формул производиться отдельно для каждой главы.
Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность Марии Георгиевне Самсоновой, как научному руководителю, а также моему учителю в области биологии и науки в целом, за постоянное внимание и ценные советы в ходе работы над диссертацией. Особо хотел бы поблагодарить Александра Михайловича Самсонова за многолетнюю поддержку и конструктивные предложения в области математического моделирования и методов решения обратной задачи математического моделирования. Выражаю свою благодарность коллегам С. Ю. Сурковой за разъяснения биологических аспектов экспериментальных данных и ценные обсуждения результатов моделирования, Е. М. Мяснико- вой за помощь в статистическом анализе результатов моделирования, В. В. Гурскому за многочисленные плодотворные дискуссии и А. С. Писареву за поддержку в области программирования.
Похожие диссертации на Реконструкция регуляторной сети генов сегментации в эмбрионе дрозофилы по экспериментальным данным - изображениям картин активности генов
-
