|
Концепция генных сетей
Все происходящие в организме процессы (биохимические, физиологические и др.) осуществляются за счет координированной экспрессии различных групп генов [1]. Каждая такая группа составляет основу конкретной генной сети, отвечающей за выполнение определенной функции клетки, органа, организма. Под генной сетью
при этом понимается совокупность координированно экспрессирующихся генов, их белковых продуктов и взаимосвязей между ними. Важным моментом в функционировании генной сети является ее связь с внешней средой, в том числе и с другими генными сетями. Поэтому в любой генной сети имеются компоненты, обеспечивающие либо восприятие и передачу внешних сигналов, либо способность продуцировать такие сигналы [2–4].
В генной сети можно выделить несколько обязательных типов компонентов, таких как: 1) группы координированно экспрессирующихся генов (ядро сети); 2) белки, кодируемые этими генами (выполняющие как определенные структурные, транспортные, биохимические, так и регуляторные функции); 3) отрицательные и положительные обратные связи, стабилизирующие параметры генной сети на определенном уровне или, напротив, отклоняющие их от исходного значения; 4) низкомолекулярные соединения (метаболиты и др.) и различные внешние сигналы, обеспечивающие переключение состояний генной сети [2].
Особенностью протекания биохимических реакций в организме является их разделение во времени и пространстве. Если рассматривать генную сеть на уровне отдельной клетки, можно выделить несколько компартментов (например, межклеточное пространство, клеточная мембрана, цитоплазма, ядро), в каждом из которых идут свои процессы.
Для полного описания генных сетей необходим анализ протекающих в них процессов на уровне целого организма. В этом случае возможно описание генных сетей, отдельные части которых распределены по различным крупным компартментам организма, таким, как органы и ткани. Во взаимодействии удаленных компартментов организма ключевую роль играют молекулярные сигналы нейроэндокринной системы.
Во многих случаях можно определить направленность процессов в пределах определенного фрагмента генной сети, выделить входной поток – путь передачи сигнала с рецепторов клетки к гену и выходной поток – процессы, происходящие в клетке после ответа генов на внешний сигнал.
Характерной особенностью организации генных сетей является их способность к саморегуляции за счет замкнутых регуляторных контуров с отрицательными и положительными обратными связями [1]. Молекулярной основой существования таких регуляторных контуров является наличие сайтов-мишеней в ДНК, РНК и белках, с которыми могут взаимодействовать различные молекулярные компонентыгенной сети и внешние регуляторные факторы. Благодаря этим двум типам регуляторных контуров возможно поддержание определенного функционального состояния генной сети или ее переход в другой режим функционирования, в том числе и под влиянием факторов внешней среды.
Для накопления информации о генных сетях, их описания и моделирования разрабатывается база данных GeneNet [2–4], которая доступна через сеть Интернет по адресу: http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/systems/mgl/genenet/.
Формализованное описание элементарных структур и событий в генных сетях.
Авторами разработан гибкий универсальный компьютерный язык, который позволяет описывать любые генные сети, функционирующие в организмах про- и эукариот. Примеры, приведенные на рисунке 1, показывают, что с помощью этого языка можно описывать такие элементарные события, как мультимеризацию белковых субъединиц, приводящую к формированию активного белкового комплекса; обратный процесс – диссоциацию мультимерного комплекса на субъединицы; экспрессию белка; изменение ферментной активности белка за счет его взаимодействия с лигандом; положительный эффект транскрипционного фактора, активирующего транскрипцию гена; негативный эффект транскрипционного фактора, подавляющего транскрипционную активность гена, и многие другие.
Все компоненты генной сети разделены на два основных типа: объекты и связи (взаимодействия) между ними. Объектами могут являться органы, ткани, клетки, клеточные компартменты, белки и белковые комплексы, гены, РНК, небелковые регуляторные вещества и продукты метаболизма. Гибкий формат GeneNet [2] позволяет по мере необходимости добавлять новые классы объектов.
|
