Геномная лаборатория - BioinforMatix.ru - портал по биоинформатике, имейджингу и биософту

Геномная лаборатория

Печать E-mail
Автор Неизвестен   
05.12.2008 г.

Лаборатория была образована в 1988 году из лаборатории электронной микроскопии, созданной ранее (в 1980 г.) на основе группы электронной микроскопии в отделе М.  А . Мокульского.

 

Основные направления исследований:

- Проблемы геномики
- Математическое моделирование метаболических и генетических процессов в живой клетке
- Разработка гипертекстовых баз знаний

 

Состав лаборатории:

Александров Александр Анатольевич, зав. отделом, д.б.н., проф.
Дроздов-Тихомиров Люсьен Николаевич, зам. зав. отделом, к.ф.-м.н.
Федосеева Вия Борисовна, н.с.
Шепелев Виталий Анатольевич, н.с.
Чарикова Елена Владимировна, нс, к.б.н.
Давыдов Андрей, вед. инж.
Малышева Марина, инж.
Жаринова Ирина, инж.

 

Основные результаты:

Работы ОБИ в 80-х годах сыграли ведущую роль в становлении биоинформатики в СССР. При координирующей роли отдела разработаны научно-технические программы «Банк нуклеотидных последовательностей» (1983-1985), «Генинформ» (1986-1990) и «Генинформ-СЭВ» (1989-1992). На национальных и международных конференциях, проведенных в Пущино и Новосибирске, при активном участии ОБИ были согласованы и стандартизированы требования к СУБД, на основе которых сформировалась общая концепция развития биоинформатики в России, составившая основу информационной поддержки со стороны российской биоинформатики международного проекта «Геном человека».

Была разработана концепция глобальной интеграции биологических знаний и баз данных на основе гипертекстовой технологии. Она была представлена на Мировом конгрессе по численным данным (KODATA) в 1990 г. В конце 80-х годов сотрудниками ОБИ разработана СУБД «ФЛЕКСИС», на основе которой была создана (совместно с ИХФ в Черноголовке) первая в мире база знаний по целому организму - бактериофагу Т4, и в 1995 - 2000 гг. создана База знаний по биологии человека (HUMBIO), интегрирующая знания по биологии человека от физиологического до молекулярного уровня с данными, представленными в компьютерных сетях и множестве международных баз данных по молекулярной биологии. В настоящее время она публикуется в Интернете на сервере Отдела биоинформатики ИМГ РАН по адресу http://humbio.ru. Несмотря на то, что в системе наиболее детально представлена информация, касающаяся человека, энциклопедия дает широкий обзор по различным аспектам современной молекулярной и клеточной биологии, генетике, биохимии, патологии и может служить в качестве образовательной системы широкого профиля, связываюшей медицину и современную молекулярную биологию. Сервер включен на постоянный режим работы в начале 2001 г. и за истекший период его посетило 3 миллиона пользователей (в настоящее время примерно 5 тысяч посещений в день). Среди российских научных интернет-ресурсов БД HUMBIO по посещаемости находится на первом месте. Главным достоинством БД HUMBIO является понятность ее организации для биологов. Это достигается тем, что структура БД имитирует привычную структуру книги, дополненную развитым аппаратом гипертекстовых ссылок и мощными поисковыми средствами. Таким образом, за время существования в интернете База знаний по биологии человека стала весьма популярным ресурсом образования и средством работы специалистов в области биологии и медицины.

Наряду с работами в области информационных технологий в ОБИ ведется интенсивная разработка подходов к компьютерному моделированию живой клетки как системы в целом,  а  также ее подсистем. Эта работа опирается на широкое использование компьютерной энциклопедии и развивается по четырем направлениям:

 

Проблемы геномики

Среди проблем геномики, которыми в лаборатории биоинформатики занимается научный сотрудник В. А . Шепелев, большой интерес представляют исследования альфа-сателлитных последовательностей человека, проводимые совместно с Центром психического здоровья человека РАМН.

Альфа-сателлитные последовательности присутствуют в хромосомах всех приматов. Это тандемно повторяющиеся последовательности ДНК с элементарной повторяющейся единицей длиной 171 п.о. Все альфа-сателлиты гибридизуются между собой, и имеют степень гомологии не ниже 60%. Мы будем рассматривать альфа-сателлиты человека. Альфа-сателлиты расположены в участках центромерного хроматина всех хромосом человека., где они, как правило, занимают крупные блоки длиной 200-5000 тыс. п.о. Кроме того, альфа-сателлитные блоки обнаружены и в других местах хромосом. Ряд обстоятельств говорит о том, что альфа-сателлиты играют важную роль в организации центромеры и определении ее функции в процессе митоза.

В результате сравнительного анализа альфа-саттелитных последовательностей различных хромосом человека и приматов предложена схема организации и эволюции центромер.

Действующая центромера окружена более древними альфоидами, и их возраст увеличивается к периферии центромеры. Документированы последовательные волны экспансии новых вариантов альфа-сателлитных повторов. Согласно предложеной схеме каждая такая волна приводила к возникновению новых центромер. Новые центромеры возникают путем межхромосомного переноса нового агрессивного варианта альфа-сателлита и его амплификации внутри действующей центромеры. В результате действующая центромера инактивируется и ее остатки сдвигаются на переферию, приводя к образованию слоев, наподобие древесных годичных колец, причем возраст слоев уменьшается от периферии к центру. Эти слои содержат остатки центромер всех предков человека, начиная с ранних приматов.

В результате сравнения альфа-сателлитных слоев хромосом человека с нуклеотидными последовательностями приматов и анализа инсерций ретропозонов L1 выполнена приблизительная датировка слоев. Показано, что все исследованные геномы обезьян имеют те же древние слои, что и человек, причем, чем ближе данная обезьяна к человеку, тем больше у нее имеется общих слоев с человеком. Датировка по L1 подтвердила относительную датировку слоев. После разделения общей линии каждая накапливает свои слои. Полученные данные по дивергенции слоев можно интерпретировать с помощью модели, которая предполагает, что когда альфа-сателлитный домен становится «мертвой центромерой», т.е. теряет центромерную функцию в пользу нового варианта альфа-сателлита, он переживает период гипермутабильности, накапливая мутации со скоростью, значительно превышающей темп нейтральных мутаций. В то же время, на более поздних этапах эволюции мертвые центромеры накапливают мутации с той же скоростью, что и окружающий эухроматин. Документирована также древняя экспансия мономеров типа R1 в доменах типа R2, которая раньше предполагалась теоретически. Данные указывают на то, что домены R2 формировали центромеры в хромосомах предка орангутана,  а  распространение в них R1 предшествовало разделению предков гориллы, шимпанзе и человека. Результатом этого события явилось возникновение так называемых «новых» альфа-сателлитов и, вероятно, переход от общегеномной гомогенизации альфоидных повторов к хромосом-специфичной.

Полученные данные открывают возможности детального исследования путей происхождения человека и филогении приматов путем анализа нуклеотидных последовательностей их альфоидых ДНК.

 

Математическое моделирование молекулярных механизмов регуляции внутриклеточного метаболизма

В работах, проводящихся под руководством старшего научного сотрудника сектора математического моделирования Л.Н. Дроздова-Тихомирова достигнут значительный прогресс в понимании молекулярного механизма регуляции активности аллостерических ферментов и физических основ процесса высоко специфического белок-белкового узнавания и создании математических моделей этих процессов.

Работа по математическому моделированию регуляции активности аллостерических ферментов проводилась на основе гипотезы о составном характере активных центров аллостерических ферментов. Согласно выдвинутой Л.Н. Дроздовым-Тихомировым гипотезе активный центр аллостерического фермента образуется из фрагментов субъединиц, при соединении последних в олигомерный комплекс (димер, тетрамер, гексамер и т.д.). Молекула любого аллостерического фермента, согласно гипотезе, должна быть составлена как минимум из двух субъединиц, способных соединяться в комплекс как минимум двумя разными способами, один из которых обеспечивает «правильную» сборку активного центра и образование активной формы фермента,  а  другой приводит к неправильной сборке и неактивной форме фермента. Регуляция активности эффектором состоит, согласно гипотезе, в том, что активатор стабилизирует активную форму комплекса,  а  ингибитор - неактивную.

Построенные на основе гипотезы математические модели кинетики ферментативных реакций позволяют количественно описывать с высокой точностью экспериментальные кинетические зависимости, что не удавалось ранее сделать с использованием классических моделей Кошланда и Моно-Уаймена-Шанжё.

Для выяснения физических основ процесса высокоспецифического белок-белкового взаимодействия было тщательно исследовано строение областей контакта (интерфейса) белок-белковых комплексов. С помощью специально разработанного пакета программ было проведено детальное изучение аминокислотного (АК) состава и структуры интерфейсов большого числа белок-белковых комплексов по данным Брукхейвенского банка данных по структурам белков (PBD). Построенные матрицы встречаемости контактов аминокислот в обследованных комплексах и рассчитаные матрицы математического ожидания встречаемости контактов поверхностных АК, в предположении контактов субъединиц в случайной взаимной ориентации показали, что области контакта в подавляющем большинстве обследованных комплексов образуются так, как-будто АК, находящиеся на поверхностях субъединиц, не оказывают существенного влияния на их образование.

На основе полученных результатов была сформулирована гипотеза о существенной роли в белок-белковом узнавании дистанционных взаимодействий между внутренними АК остатками глобул, не вступающими непосредственно в контакт при образовании комплекса. Предположено, что эти взаимодействия имеют электрическую природу и участвуют в процессе узнавания своим вкладом в суммарное электрическое поле, создаваемое белковой молекулой, конфигурация которого, возможно, является искомым определяющим фактором при белок-белковом узнавании.

В пользу гипотезы говорят проведенные расчеты энергии системы, состоящей из двух субъединиц гомодимера, разнесенных на расстояние, равное диаметру глобулы, в зависимости от углов разворота глобул относительно друг друга. Установлено наличие глубоких минимумов энергии в таких системах существенно превышающих тепловую энергию (kT), наблюдающихся при углах разворота близких к тем, под которыми субъединицы развернуты в комплексе, что говорит о возможности сильного дистанционного ориентирующего эффекта, вызываемого электростатическим взаимодействием мультиполей в целом электронейтральных молекул белков.

 

Математическое моделирование процесса внутриклеточного метаболизма

Разработанный Л.Н. Дроздовым-Тихомировым метод баланса стационарных стехиометрических потоков (МБССП) открывает новые возможности для построения математических моделей метаболизма, протекающего в больших полиферментных системах, сравнимых по масштабу с ферментными системами клетки.

Использование МБССП позволило построить математические модели стационарного метаболизма клеток E. coli, B. subtilis, Corinebacteria glutamicus, митохондрий дрожжей Saccharomyces cerevisiae при росте на различных источниках углерода, рассчитать оптимальное распределение метаболических потоков ферментативных реакций в сети первичного метаболизма этих клеткок и решить некоторые технологические задачи повышения экономичности микробиологического синтеза. Исследуется возможность применения МСПСМ для моделирования и исследования первичного метаболизма соматических клеток человека.

Теоретическое исследование МБССП привело к введению понятия «оптимальная структура полиферментной системы», которое может дать ключ к пониманию закономерностей изменения относительных активностей ферментов в ферментной системе клетки в ходе эволюции.

На основе этих работ сформулирована концепция построения математической модели управляемого геномом метаболизма растущей дрожжевой клетки Saccharomyces cerevisiae.

 

Читайте также:

Геномика личности
Геномика - обзор + ссылки
Последнее обновление ( 06.04.2009 г. )
 
« Пред.   След. »