Генные сети программы жизни



Скачать 57.19 Kb.
Дата30.04.2016
Размер57.19 Kb.
ГЕННЫЕ СЕТИ - ПРОГРАММЫ ЖИЗНИ

Н.А. Колчанов, С.С. Гончаров, Е.Е. Витяев


Институт Цитологии и Генетики СО РАН, Институт Математики СО РАН

e-mail:kol@bionet.nsc.ru, gonchar@math.nsc.ru, vityaev@math.nsc.ru

Объединившись в рамках междисциплинарного интеграционного проекта "Моделирование Фундаментальных Генетических Процессов и Систем", коллективы шести институтов Сибирского Отделения Российской Академии Наук: ИЦиГ СО РАН, ИМ СО РАН, ИВТ СО РАН, ИВМиМГ СО РАН, ИТФ СО РАН, и МТЦ СО РАН взялись за разработку теоретических основ информационной биологии.

Информационная биология относится к числу высоких технологий современной биологии и обеспечивает информационно-компьютерные и теоретические основы генетики и селекции, молекулярной генетики и биологии, генетической и белковой инженерии, биотехнологии, медицинской генетики, генодиагностики, генотерапии, словом, тех наук, благодаря выдающимся достижениям которых биология превратилась в одну из лидирующих наук грядущего столетия. Информационная биология в настоящее время предъявляет самые высокие требования к информационным технологиям.

В результате появления эффективных методических подходов в последние десятилетия уходящего века в биологии произошла научная революция, обеспечившая проникновение на молекулярно-генетический уровень организации жизни. Стала возможна расшифровка протяженных участков геномной ДНК, полных геномов вирусов, бактерий, растений и животных. Недавно - к 50-летию расшифровки Уотсоном и Криком структуры двойной спирали ДНК было объявлено о первичной расшифровке генома человека.

Получаемые при этом объемы экспериментальных данных поражают воображение. Только для описания нуклеотидной последовательности генома человека требуется не менее 1000 томов объемом по 1000 страниц каждый. Причем это не художественное произведение, а КОД ПРОГРАММЫ ЖИЗНИ, который определяет работу организма на протяжении всего периода его существования. Задача исследования информационного содержания геномов является исключительно сложной. Это обусловлено тем, что природа кодов, посредством которых в геномах записана генетическая информация, остается большей частью неизвестной (за исключение триплетного кода генов, кодирующих белки, который занимает не более 3-5% геномной ДНК). Исследование информационного содержания геномов и понимание смысла закодированной в них генетической информации осуществляется в рамках новой науки - информационной биологии.

С молекулярно-генетической точки зрений геном - это хранилище генетической информации, записанной в структуре ДНК. С точки зрения информационной биологии ГЕНОМ - это библиотека базовых процедур, каждая из которых соответствует определенному гену. Фактически, каждый организм является СуперКомпютером, использующим библиотеку программ, записанных в его геноме, для самовоспроизведения, поддержания гомеостаза внутренней среды, реакции на окружающую среду, обеспечения биохимических процессов, роста, развития, и т.д. В отличии от обычных программ, рассматриваемых в Информатике, генетическая программа организма (i) несоизмеримо больше по объему, (ii) обладает высокой помехоустойчивостью (за счет работы репарационных систем генома, восстанавливающих повреждения наследственной памяти, возникающие в результате мутаций), (iii) способна к порождению копий (за счет деления клеток), (iv) защищается от проникновения чужеродной генетической информации (вирусов и т.д.) управляя функцией иммунной системы, (v) все свои функции выполняет параллельно, обеспечивая управление множеством процессов, одновременно протекающих в организме, (vi) имеет иерархию уровней доступа к информации, закодированной в геноме.

Информация, закодированная в геномах, считывается и преобразуется с помощью фундаментальных генетических процессов: репликации, транскрипции, сплайсинга, трансляции и др. Синтезируемые на их основе генетические макромолекулы (ДНК, РНК и белки) взаимодействуют друг с другом, обеспечивая функционирование генных сетей – групп координировано работающих генов, контролирующих выполнение разнообразных функций организмов. Фактически генные сети – это подпрограммы всей программы организма, обеспечивающие выполнение определенных функций. В клетках, тканях, органах и организме одновременно протекают миллиарды молекулярно-генетических, биохимических, физиологических процессов. И все эти процессы контролируются и осуществляются в рамках огромного количества генных сетей.

С биологической точки зрения генная сеть это молекулярно-клеточное устройство, обеспечивающее выполнение определенной функции или достижение определенного результата. С точки зрения информационной биологии генная сеть - это программа, состоящая из процедур, соответствующих генам.

Генетический КОД дискретен, но управляет непрерывными процессами. Для исследования управления дискретными и непрерывными процессами в генных сетях можно использовать методы дискретной и непрерывной математики, теории алгоритмов, логики, объединенные в рамках гибридного подхода.

Генные сети содержат от десятков до сотен генов, ответственных за производство РНК и белков. Гены – это в определенном смысле базовые подпрограммы, продуцирующие некоторые «локальные» и «глобальные» переменные всей программы КОДА (рис.1). На рис 1 показаны эти переменные, которые являются теми белками, которые «садятся» на гены. Этими переменными как двоичным кодом определяется та функция, которая будет выполняться геном. Количество различных вариантов взаимодействий между элементами (переменными) любой генной сети исключительно велико, также как и количество различных режимов ее функционирования. В состояниях генной сети потенциально может быть закодировано огромное количество информации. По приблизительным оценкам, в геноме человека имеется около 100 тысяч генов. Это дает представление о размерах глобальной генетической сети организма. В свою очередь она состоит из множества взаимодействующих друг с другом локальных генных сетей. Например, генная сеть, контролирующая процессы дифференцировки и созревания эритроцитов, содержит не менее 500--600 генов и тысячи других молекулярных компонентов (РНК, белков, метаболитов). И это - только одна из генных сетей человека. Наравне с ней существуют многие тысячи других, не менее значимых для функционирования организма человека.

С учетом гибридной природы генных сетей, протекающие в них непрерывные процессы должны моделироваться интегро-дифферен­циальными уравнениями и уравнениями химкинетики. Для моделирования дискретных процессов необходимо использовать методы математической логики и теории автоматов. Необходимо создание методов решения обратных задач по определению параметров генных сетей, дающих требуемую реакцию на внешнее воздействие.

Важнейшей является задача извлечения знаний из всех уровней работы генной сети: из генетического КОДА как текста, из структур генетических макромолекул (ДНК, РНК и белков), из способа их взаимодействия, из организации генных сетей, из организации систем управления и т.д. В настоящее время разработан и апробирован метод извлечения знаний, который можно применять на всех уровнях генной сети (см. Scientific Discovery website http://www.math.nsc.ru/LBRT/l/vityaev/index.htm).



Теория генетических сетей - одна из горячих точек информационной биологии. Создание методов компьютерного моделирования динамики генных сетей даст в руки исследователей мощный инструмент для предсказания признаков организмов, закодированных в их генах, позволит оценивать влияние мутаций на функциональные характеристики организмов, создаст основы фармакологии третьего поколения, задачей которой является разработка генотип-специфических методов коррекции патологических состояний организма на основе воздействия на управляющие функции генов. В терминах гибридных систем эту задачу можно сформулировать так: необходимо найти такое дискретное (прием лекарства) и/или непрерывное (процедуры) воздействие на организм, которое бы перевело заданную генетическую сеть из патологического состояния в нормальное.

Теория генных сетей обеспечит возможность конструирования искусственных молекулярно-генетических систем с заданными свойствами. Задача конструирования таких систем в терминах гибридных систем состоит в индуктивном/дедуктивном синтезе программы, обладающей требуемыми свойствами управления.


База данных защищена авторским правом ©refedu.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница