WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

УДК 577.214.625+578.245.4

Ананько Елена Анатольевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕКОНСТРУКЦИИ И КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА ГЕННЫХ СЕТЕЙ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

03.00.15 - генетика

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук

Новосибирск, 2008

Работа выполнена в лаборатории теоретической генетики

Института цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Научный руководитель: член-корр. РАН, доктор биологических

наук, профессор

Николай Александрович Колчанов

Институт цитологии и генетики СО РАН,

г. Новосибирск

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Юрий Михайлович Константинов

кандидат биологических наук

Людмила Кузьминична Савинкова

Ведущее учреждение: Институт молекулярной биологии

им. В.А. Энгельгардта РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится "___" апреля 2008 г. на утреннем заседании диссертационного совета Д-003.011.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте цитологии и генетики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 10, конференц-зал.

тел/факс: (383) 3331278,

e-mail: dissov@bionet.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института цитологии и генетики СО РАН.

Автореферат разослан "___" марта 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук А.Д. Груздев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Быстрое развитие методов молекулярной биологии и генетики привело к появлению огромных объемов экспериментальных данных, благодаря чему появилась возможность проводить детальную реконструкцию сложных молекулярно-генетических систем, обеспечивающих функционирование клеток, тканей, органов и организмов, контролирующих процессы индивидуального развития, поддержание гомеостаза, взаимодействие с окружающей средой и т.д. Однако, ни один экспериментальный метод современной биологии, независимо от его эффективности, сам по себе не может дать комплексного представления о биологическом объекте, особенностях его организации, иерархии и взаимоподчиненности структурно-функциональных единиц молекулярного, клеточного или тканевого уровней.

В связи с этим возникает необходимость в комплексных компьютерных подходах к интеграции и анализу гетерогенных экспериментальных данных молекулярной и клеточной биологии. Острая потребность в решении этих задач привела к появлению нового научного направления - системной компьютерной биологии. Ключевая задача этого нового раздела биологии состоит в получении целостного представления о структуре и механизмах функционирования исследуемых молекулярно-биологических систем на основе интеграции и анализа разнообразных экспериментальных данных.

Важнейшим инструментом системной компьютерной биологии являются современные информационные технологии: компьютерные методы накопления, хранения, поиска, классификации, интеграции и анализа экспериментальных данных; методы математического моделирования, эффективность которых должна быть адекватна объемам, разнообразию и темпам накопления экспериментальной информации, а также сложности изучаемых биологических систем и процессов.

Центральным понятием и основным объектом системной компьютерной биологии являются генные сети - молекулярно-генетические системы, обеспечивающие формирование разнообразия фенотипических характеристик организмов (молекулярных, биохимических, структурных, морфологических, поведенческих и т.д.) на основе информации, закодированной в их геномах. Классический пример сложно организованной генной сети представляет собой интерфероновая система. Интерфероны - это основные регуляторы иммунного, противовирусного и противобактериального ответа, они модулируют воспалительный ответ, включая активацию нейтрофилов, лимфоцитов и базофилов, ингибируют клеточную пролиферацию, регулируют дифференцировку Т- и В-лимфоцитов, стимулируют фагоцитоз и представление антигенов макрофагами, увеличивают цитотоксичность натуральных киллеров и т.д.

Влияние интерферонов осуществляется путем стимуляции экспрессии определенного набора интерферон-индуцируемых генов (ИИГ). Продукты этих генов участвуют в обеспечении функций интерферонов, они могут взаимодействовать как между собой, так и с другими регуляторными факторами, стимулировать экспрессию других генов, непосредственно не отвечающих на воздействие интерферонами. Регуляторные районы ИИГ и взаимодействующие с ними транскрипционные факторы являются хорошей моделью для изучения молекулярно-генетических механизмов регуляции экспрессии генов у эукариот. Анализ этих механизмов и понимание смысла информации, закодированной в регуляторных последовательностях ИИГ, позволит создать эффективные компьютерные методы предсказания потенциальных ИИГ на уровне генома.

Исследование генной сети интерфероновой системы с помощью современных компьютерных технологий может открыть пути к созданию новых лекарственных препаратов с более точно направленным воздействием и минимумом побочных эффектов, а также стимуляторов иммунной системы и других биологически активных веществ. Эти исследования имеют важное практическое значение, поскольку раскрывают причины возможных нарушений регуляции целого ряда жизненно важных функций организма и позволяют приблизиться к решению проблемы их коррекции.

Цели и задачи работы. Целью данной работы является разработка технологии компьютерной реконструкции и анализа генных сетей; исследование генных сетей интерфероновой индукции противовирусного ответа и построение методов распознавания интерферон-индуцируемых генов эукариот. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

  1. создание технологии реконструкции генных сетей in silico, включающей в себя: методы формализованного описания отдельных классов объектов, функционирующих в составе генных сетей; словари терминов, характеризующих объекты генных сетей, базы данных по объектам и взаимодействиям в генных сетях; программные средства для ввода информации в эти базы данных; методы визуализации и анализа генных сетей;
  2. анализ особенностей структурно-функциональной организации генных сетей эукариот на основе информации, накопленной в разработанных базах данных;
  3. реконструкция генных сетей интерфероновой индукции противовирусного ответа у эукариот; компьютерный анализ особенностей их организации и функционирования;
  4. построение методов распознавания сайтов связывания транскрипционных факторов, важных для функционирования генной сети интерфероновой индукции;
  5. определение характерных для ИИГ закономерностей в расположении сайтов и разработка методов распознавания протяженных интерферон-индуцируемых районов в геномах эукариот; поиск потенциальных ИИГ человека.

Научная новизна и практическая ценность. Создана система GeneNet для компьютерного описания, визуализации и анализа генных сетей, широко используемая как в ИЦиГ СО РАН, так и нашедшая применение для решения ряда задач в рамках сотрудничества с российскими и зарубежными (Англия, Япония) организациями. В настоящее время база данных системы GeneNet содержит информацию о структурно-функциональной организации 42 генных сетей эукариот и 23 генных и метаболических сетей прокариот; она активно используется для компьютерной аннотации и анализа генных сетей.

С помощью системы GeneNet впервые создано компьютерное описание двух генных сетей интерфероновой индукции противовирусного ответа и проведен анализ структурно-функциональной организации этих генных сетей.

Исследована организация протяженных регуляторных районов интерферон-индуцируемых генов и выявлены закономерности распределения сайтов связывания различных транскрипционных факторов, отличающих эти гены от остальных.

Созданы не имеющие аналогов в мировой науке методы распознавания протяженных районов ДНК, ответственных за интерфероновую индукцию.

Практическая значимость полученных оригинальных результатов заключается в том, что они могут использоваться при изучении молекулярных процессов интерфероновой индукции противовирусного ответа. Помимо этого, полученные результаты могут ускорить как процесс аннотации геномных последовательностей, так и определение функций еще не исследованных генов. Возможность поиска компьютерными методами генов с определенными функциями очень важна для понимания принципов работы и организации геномов млекопитающих.

Положения, выносимые на защиту.

  1. В генных сетях интерфероновой индукции у млекопитающих наблюдается преобладание регуляторных контуров с положительными обратными связями над регуляторными контурами с отрицательными обратными связями, что обеспечивает быстрый ответ клетки на интерфероны.
  2. Для сайтов связывания ключевых регуляторов интерфероновой системы, транскрипционных факторов IRF1, ISGF3, STAT1 и NF-B, характерна повышенная плотность в районе [-200; +1] п.о. относительно старта транскрипции интерферон-индуцируемых генов.
  3. Существуют специфические закономерности в расположении относительно старта транскрипции одиночных сайтов и пар сайтов связывания разных транскрипционных факторов, характерные для промоторной области интерферон-индуцируемых генов.
  4. Общее число интерферон-индуцируемых генов человека превышает 3000.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Втором Сибирском Конгрессе по Прикладной и Индустриальной Математике (ИНПРИМ-96, Новосибирск, 1996 г.), Международных конференциях по биоинформатике геномной регуляции и структуры (BGRS'1998, BGRS'2000, BGRS'2002, BGRS'2004, BGRS'2006, Новосибирск 1998, 2000, 2002, 2004, 2006), Международной школе теоретической биофизики (Москва, 1998 г.), Международной конференции по геномике и протеомике (Гейдельберг, 1998 г.), Международной конференции по теории и математике в биологии и медицине (Амстердам, 1999 г.), II съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Санкт-Петербург, 2000 г.), Второй Всероссийской научной конференции "Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции" (Протвино, 2000 г.), конференции, посвященной 90-летию со дня рождения Алексея Андреевича Ляпунова (Новосибирск, 2001 г.), Второй Всероссийской научной конференции "Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции" (Дубна, 2002 г.), Международных Московских конференциях по компьютерной молекулярной биологии (MCCMB'03, MCCMB'05, Москва, 2003 и 2005 гг.), а также на отчетных сессиях Института Цитологии и генетики СО РАН (1999, 2002, 2005 гг.). База данных GeneNet зарегистрирована в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 990006, 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованa 31 работа, из них 12 в рецензируемых изданиях, имеется свидетельство об официальной регистрации базы данных, поддерживается www-сайт.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы (первая глава), двух глав, содержащих основные результаты, выводов, списка цитируемой литературы (305 ссылок). Работа изложена на 228 страницах, содержит 74 рисунка, 25 таблиц и 5 приложений. Нумерация рисунков и таблиц производится отдельно для каждой главы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

В обзоре литературы на примере генных сетей интерфероновой индукции рассмотрены характерные особенности организации генных сетей, которые необходимо учитывать при их компьютерной реконструкции. На основе анализа этих особенностей, а также имеющихся мировых молекулярно-биологических информационно-программных ресурсов, сформулированы требования, которым должна удовлетворять компьютерная система для реконструкции и анализа генных сетей:

1) наличие гибких способов формализованного описания элементарных структур, событий и процессов, значимых для функционирования генных сетей;

2) возможность описания в рамках единого подхода как механизмов регуляции экспрессии генов, так и различных метаболических процессов;

3) возможность реконструкции генных сетей как про-, так и эукариот, а также гибридных генных сетей, возникающих при взаимодействии молекулярно-генетических систем про- и эукариот;

4) наличие понятного и удобного в работе интерфейса для реконструкции генных сетей, ввода информации в базы данных; генерации запросов и т.д.;

5) возможность автоматической визуализации и анализа генных сетей на основе информации, накопленной в базах данных;

7) возможность расширения функций компьютерной системы для реконструкции генных сетей, а также при необходимости - увеличения количества классов объектов.

Глава 2. Компьютерная реконструкция и анализ генных сетей

Глава 2 диссертации посвящена компьютерной системе GeneNet, созданной для реконструкции, визуализации и анализа генных и метаболических сетей. При разработке данной технологии принимались во внимание требования, сформулированные в Главе 1.

Компьютерная система GeneNet [Kolpakov F.A. et al., 1998; Ананько Е.А. и др., 1999; Kolpakov F.A. et al., 1999; Колчанов Н.А. и др., 2000; Ananko E.A. et al., 2002; Ananko E.A. et al., 2005] позволяет на основе аннотации экспериментальных данных из научных публикаций описывать структурно-функциональную организацию генных и метаболических сетей как прокариот, так и эукариот, и даже генные сети, возникающие при взаимодействии двух организмов, например, симбионтов, или паразита и хозяина. Специальное приложение GenEd, предназначенное для автоматической визуализации и редактирования информации из базы данных, позволяет представить схемы генных сетей в удобном для пользователя виде. Средства анализа структурно-функциональной организации, основанные на методах теории графов, помогают выделить ключевые регуляторные компоненты сети и замкнутые регуляторные циклы.

Рисунок 1. Компоненты генных сетей и их графическое отображение при визуализации в GeneNet

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»