Введение к работе
Актуальность темы. Интерферон (IFN) является важным фактором, обеспечивающим индукцию и поддержание резистентности организма к вирусным инфекциям. Развитие и результат инфекции предопределяются эффективностью индукции интерферона, а также его антивирусной и иммуномодулирующей активностями. Исследование молекулярных механизмов индукции и антивирусного действия интерферона представляется актуальным для лучшего понимания регуляции и функционирования системы интерферона. От этого зависит успешное использование интерферона и его индукторов в качестве лечебно-профилактических препаратов при вирусных инфекциях и некоторых других патологических состояниях.
Сложная сеть взаимоотношений в системе вирус-интерферон делает трудным, в определенных ситуациях, прямой экспериментальный анализ вклада индивидуальных механизмов в регуляцию системы. В связи с этим актуальным становится проведение теоретического анализа закономерностей индукции и действия интерферона и использование для этих целей технологии математического моделирования с прогнозирующими возможностями компьютерного эксперимента. Цель н задачи исследования. Общая цель работы заключалась в проведении теоретического анализа закономерностей индукции и противовирусного действия интерферона I типа.
Индукция интерферона двухцепочечными РНК (дцРНК) и вирусами - сложный процесс, требующий участия многочисленных позитивных и негативных факторов (IRF-1, IRF-2, NF-кВ, AF-1, NRE-BP и др.). Молекулярные механизмы, вовлеченные во взаимодействие этих факторов, остаются во многом неизвестными. Задача исследования состояла в анализе альтернативных механизмов регуляции экспрессии интерферона.
Интерферон I типа индуцирует синтез в клетке ряда регуляторных белков, функциональные свойства которых определяют широкий спектр его биологических активностей. Показано, что уровни экспрессии Трех из этих белков: протеинкиназы. 2',5'-олигоаденилатсинтетазы (2',5'А синтетазы) и белка Мх коррелируют с развитием антивирусного состояния в инфицированных клетках. Одной из задач исследования было изучение роли интерферон-индуцируемых белков в индукции и поддержании противовирусного состояния в клетке, а также анализ возможного участия интерферон-индуцируемых белков в регуляции интерфероном собственной экспрессии.
Для исследования закономерностей индукции и противовирусного действия интерферона в работе был предложен новый теоретический подход, основанный на интегрированном описании процессов регуляции и функционирования системы интерферона. Одной из задач исследования явилась реализация этого подхода в виде компьютерной системы, которая представляет собой интегрированную базу знаний и объединяет две традиционные технологии описания и исследования биологических систем: базы данных и математические модели.
Научная новизна.
Впервые проведено исследование молекулярно-генетической системы регуляции экспрессии интерферона I типа с помощью методов математического моделирования.
На концептуальном уровне обоснована антирепрессорная модель регуляции генетической экспрессии интерферона, согласно которой лимитирующей стадией индукции промотора интерферона является удаление конститутивных репрессоров.
Впервые сделан вывод, что регуляция интерфероном собственной экспрессии при прайминге и блокинге может быть основана на процессах, связанных с действием интерферон-индуцируемых белков: протеинкиназы и 2',5'-олигоаденилатсинтетазы.
Впервые показано, что молекулярные механизмы экспрессии и противовирусного действия белка Mxl принципиально различаются в зависимости от того, индуцируется этот белок интерфероном или вирусом. Белок Mxl, индуцируемый интерфероном, блокирует размножение вируса гриппа на стадии первичной транскрипции, тогда как вирус-индуцируемый белок Mxl - на стадии вторичной транскрипции. Максимальный противовирусный эффект требует синергического действия вируса и интерферона в активации промотора Mxl. Выдвинута гипотеза, что активной формой интерферон-индуцируемого белка Mxl является тример, вирус-индуцируемого белка Mxl - мономер.
Разработан новый теоретический подход к анализу и интегрированному описанию процессов регуляции и функционирования системы интерферона. Создана компьютерная система, которая впервые объединяет две технологии представления знаний: информационно-аналитическую автоматизированную базу данных и динамические математические модели. Оригинальный алгоритм блочного построения использован для автоматической генерации математических моделей различной сложности в соответствии с задачей исследования.
Теоретическая и практическая ценность работы.
В работе проведен теоретический анализ закономерностей индукции и действия интерферона и построены концептуальные и математические модели, описывающие процессы регуляции ключевых звеньев системы интерферона на молекулярно-генетическом уровне.
Проанализирована роль интерферон-индуцируемых белков в регуляции противовирусной активности и собственной экспрессии интерферона. Показано, что интерферон имеет механизмы, которые обеспечивают эффективный контроль его экспрессии, а именно амплификацию синтеза при низкой концентрации в среде и ограничение экспрессии при высокой концентрации.
Важное значение имеют результаты, свидетельствующие о синергизме действия интерферона и двухцепочечных РНК при экспрессии эндогенного интерферона, а также при экспрессии интерферон-индуцируемых белков, в частности, белка Мх.
При помощи моделирования показано, что противовирусный эффект препаратов, в состав которых входит интерферон или дцРНК, может быть значительно повышен при их комбинированном применении. Данный эффект требует оптимизации дозы и схемы применения этих препаратов в отношении экспрессии как эндогенного интерферона, так и IFN-индуцируемых белков.
Созданная компьютерная система позволяет исследователю, работающему в данной области, накапливать необходимый и легко доступный объем информации по исследуемой проблеме, представлять материал в формализованном виде, генерировать в соответствии с задачами исследования математические модели, проводить необходимые компьютерные эксперименты (в вычислительной среде системы DISAM) и планировать проведение лабораторных экспериментов.
Разработанные в настоящей диссертации концептуальные и математические модели, созданная компьютерная система и полученные результаты позволяют глубже понять молекулярные механизмы, лежащие в основе индукции и действия интерферона, и могут быть использованы для дальнейшего теоретического и экспериментального исследования закономерностей регуляции и функционирования системы интерферона. Апробация работы. Основные материалы исследования были представлены на Первой, Второй и Третьей Всесоюзных Конференциях "Геном человека" (Москва, 1990, 1991 и 1993 гг.); на Международной Конференции "Modeling and Computer Methods in Molecular Biology and Genetics" (Новосибирск, 1991 г.); на Симпозиуме "Structure & Function of Regulatory Polypeptides" (Москва, 1992 г.), на Симпозиуме Япония-СНГ "Knowledge Based Software Engineering'94" (Москва, 1994 г.); на Международной Конференции Восток-Запад "Human-Computer Interaction" (Санкт-Петербург, 1994 г.); на 6-й Международной Конференции "Artificial Intelligence and Expert Systems Application" (Houston, США, 1994 г.); на Ежегодной Конференции ISICR (International Society for Interferon & Cytokine Research) (Baltimore, США, 1995 г.) . Публикации . По теме диссертации опубликовано 17 работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, включая 18 рисунков, 2 таблицы, 271 библиографическую ссылку. Основные результаты работы получены в соавторстве с Бажаном СИ. и Лихошваем В.А.