регуляция экспрессии генов и электронные модели живой клетки
реклама
Èíôîðìàöèîííûå ïðîöåññû, Òîì 5, 1, 2005, ñòð. 3339. c 2005 Ãåëüôàíä. ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÛÅ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÐÅÃÓËßÖÈß ÝÊÑÏÐÅÑÑÈÈ ÃÅÍÎÂ È ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÌÎÄÅËÈ ÆÈÂÎÉ ÊËÅÒÊÈ Ì.Ñ.Ãåëüôàíä Èíñòèòóò ïðîáëåì ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè, Ðîññèéñêàÿ àêàäåìèÿ íàóê, Ìîñêâà, Ðîññèÿ Ïîñòóïèëà â ðåäêîëëåãèþ 1.2.2005 Àííîòàöèÿ Äàí êðàòêèé îáçîð ìîäåëåé ðåãóëÿöèè ìåòàáîëèçìà æèâûõ êëåòîê. Ïðèâåäåíû âîçìîæíûå ïîñòàíîâêè çàäà÷ äëÿ ó÷¼òà ðåãóëÿòîðíûõ âçàèìîäåéñòâèé â ïîòîêîâûõ ìîäåëÿõ, îáñóæäåíû èñòî÷íèêè äàííûõ äëÿ òàêîãî àíàëèçà. 1. ÎÁÇÎÐ 1.1. Ìîäåëè êëåòêè  íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçðàáàòûâàþòñÿ äâà îñíîâíûõ òèïà ìîäåëåé êëåòî÷íîãî ìåòàáîëèçìà è ôèçèîëîãèè. Ïîòîêîâûå ìîäåëè ðàññìàòðèâàþò ñòàòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå, ïðè ýòîì ñòðîèòñÿ òàêîå ðàñïðåäåëåíèå ïîòîêîâ âåùåñòâà ÷åðåç îòäåëüíûå ðåàêöèè, êîòîðîå ìàêñèìèçèðóåò ïðîèçâîäñòâî êàêîãî-ëèáî âåùåñòâà (íàïðèìåð, ÀÒÔ) èëè ñìåñè âåùåñòâ (áèîìàññû, çàäàííîé ïðîöåíòíûìè äîëÿìè îïðåäåë¼ííûõ àìèíîêèñëîò, ëèïèäîâ, íóêëåèíîâûõ êèñëîò è ò.ï.). Ôèçèîëîãèÿ îðãàíèçìà çàäà¼òñÿ ñïèñêîì ïðîèñõîäÿùèõ â í¼ì õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé (â òîì ÷èñëå òðàíñïîðòíûõ ðåàêöèé ïåðåíîñà ìåòàáîëèòîâ ÷åðåç êëåòî÷íóþ ìåìáðàíó), ïðîèçâîäíûì îò ñïèñêà ãåíîâ, à ïðåäìåòîì èçó÷åíèÿ ÿâëÿþòñÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ïîòîêîâ â çàâèñèìîñòè îò ñîñòàâà ñðåäû è/èëè íàáîðà ðåàêöèé (ìîäåëèðîâàíèå ìóòàöèé). Ïîñêîëüêó âû÷èñëèòåëüíàÿ ñòîðîíà ìîäåëè ñîñòîèò â èñïîëüçîâàíèè ýôôåêòèâíîãî àëãîðèòìà ëèíåéíîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ, âîçìîæíî ìîäåëèðîâàíèå ïîëíûõ ãåíîìîâ, ÷òî îãðàíè÷èâàåòñÿ ëèøü äîñòóïíîñòüþ ñâåäåíèé î ôóíêöèÿõ ãåíîâ. Ñïèñêè ðåàêöèé è äðóãèå ïàðàìåòðû äëÿ ðÿäà ìîäåëåé, â ò.÷. äðîææåé, äîñòóïíû ïî àäðåñó (http://systemsbiology.ucsd.edu/). Ïîòîêîâûå ìîäåëè ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ íàïðàâëåííîãî êîíñòðóèðîâàíèÿ øòàììîâ äðîææåé [Carlson-02]. Êèíåòè÷åñêèå ìîäåëè â ÿâíîì âèäå ó÷èòûâàþò çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè ðåàêöèè îò êîíöåíòðàöèé ìåòàáîëèòîâ è êîôàêòîðîâ. Èíòåíñèâíîñòè ðåàêöèé îïèñûâàþòñÿ ñèñòåìîé äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé. Ïîìèìî âû÷èñëèòåëüíûõ ñëîæíîñòåé ïðè àíàëèçå áîëüøèõ ñèñòåì è ïðîáëåì, ñâÿçàííûõ ñ âîçìîæíîé íåóñòîé÷èâîñòüþ ïîñòðîåííûõ ñèñòåì, ïðèìåíèìîñòü òàêèõ ìîäåëåé ñèëüíî îãðàíè÷åíà òåì, ÷òî â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ìíîãèå ïàðàìåòðû ñèñòåì íå èçâåñòíû. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, íåò ïðèíöèïèàëüíûõ ñëîæíîñòåé â ó÷åòå êîíöåíòðàöèé ôåðìåíòîâ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçâèâàåòñÿ ìîäåëü äðîææåâîé êëåòêè (ïðîåêò Silicon Cell, http://www.siliconcell.net); áàçà äàííûõ êèíåòè÷åñêèõ ìîäåëåé ïîääåðæèâàåòñÿ íà (http://jjj.biochem.sun.ac.za). 1.2. Ó÷¼ò ðåãóëÿöèè â ïîòîêîâûõ ìîäåëÿõ Äî ïîñëåäíåãî âðåìåíè ïîòîêîâûå ìîäåëè ðàçðàáàòûâàëèñü áåç ó÷åòà ðåãóëÿòîðíûõ âçàèìîäåéñòâèé. Õîòÿ áûëè ïîñòðîåíû ìîäåëè ìèòîõîíäðèè âîîáùå [Vo-04] è ÷åëîâå÷åñêîé [Ramakrishna-01] è ÷àñòè÷íàÿ ìîäåëü äðîææåâîé êëåòêè [Foster-03; Duarte-04], ñóùåñòâåííî íåòðèâèàëüíûå ðåçóëüòàòû áûëè ïîëó÷åíû òîëüêî ïðè ìîäåëèðîâàíèè ìåòàáîëèçìà êèøå÷íîé ïàëî÷êè, îðãàíèçìà, ãåíîì êîòîðîãî èçó÷åí íàèáîëåå ïîäðîáíî. Áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ïîòîêîâûå ìîäåëè îòíîñèòåëüíî óñïåøíî ïðåäñêàçûâàþò ôåíîòèï ìóòàíòíûõ øòàììîâ ñ íîêàóòèðîâàííûìè ìåòàáîëè÷åñêèìè ãåíàìè [Edwards-00; Edwards-00a], è ÷òî ó÷åò 34 ÃÅËÜÔÀÍÄ ðåãóëÿòîðíûõ âçàèìîäåéñòâèé óëó÷øàåò êà÷åñòâî ïðåäñêàçàíèé [Covert-02].  ïîñëåäíåì ñëó÷àå ðåãóëÿöèÿ ó÷èòûâàëàñü íàèáîëåå ïðîñòûì ñïîñîáîì, êàê òîòàëüíîå âêëþ÷åíèå èëè âûêëþ÷åíèå ãåíà. Îêàçàëîñü, ÷òî òàêàÿ ìîäåëü óëó÷øàåò ïðåäñêàçàíèÿ ïîñëåäñòâèé èíàêòèâèðóþùèõ ìóòàöèé (íà óðîâíå âûæèâåò/íå âûæèâåò), à òàêæå â ðÿäå ñëó÷àåâ ïîçâîëÿåò êà÷åñòâåííî îïèñàòü ïîâåäåíèå ïîïóëÿöèé â êëåòî÷íûõ êóëüòóðàõ [Edwards-01]. Äðóãîé ïóòü óëó÷øåíèÿ ïðåäñêàçàíèé ó÷¼ò îãðàíè÷åíèé, ïîëó÷åííûõ èç àíàëèçà ýêñïåðèìåíòîâ ïî ââåäåíèþ èçîòîïíîé ìåòêè [Blank-04].  òî æå âðåìÿ, áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ýêñïåðèìåíòàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ïîòîêîâ â äèêîì øòàììå âîññòàíàâëèâàåòñÿ ïîòîêîâûìè ìîäåëÿìè óäîâëåòâîðèòåëüíî, à â ìóòàíòíûõ ïëîõî [Segre-02]. Îäíèì èç âîçìîæíûõ îáúÿñíåíèé ýòîãî ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ýêñïðåññèÿ ãåíîâ â õîäå ýâîëþöèè îêàçàëàñü îòðåãóëèðîâàíà òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ìàêñèìèçèðîâàòü îáåñïå÷èâàòü ïðîòåêàíèå ðåàêöèé ñ îïòèìàëüíûìè èíòåíñèâíîñòÿìè.  òî æå âðåìÿ, â ìóòàíòíîì øòàììå îïòèìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ïîòîêîâ äðó- ãîå, è ñóùåñòâóþùèå ðåãóëÿòîðíûå ñèñòåìû íå â ñîñòîÿíèè åãî âîñïðîèçâåñòè. Äåéñòâèòåëüíî, îêàçàëîñü, ÷òî ìîäèôèêàöèÿ àëãîðèòìà ëèíåéíîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ, ïîçâîëÿþùàÿ íàéòè ñóáîïòèìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ïîòîêîâ ïîñëå íîêàóòà, áëèçêîå ê ðàñïðåäåëåíèþ äèêîãî òèïà, ïîçâîëÿåò óäîâëåòâîðèòåëüíî âîñïðîèçâåñòè ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå. Åñëè ýòî îáúÿñíåíèå âåðíî, ìîæíî îæèäàòü, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå ïîòîêîâ ïðè âûêëþ÷åíèè (ãðóïï) ãåíîâ çà ñ÷¼ò èçâåñòíûõ ðåãóëÿòîðíûõ ìåõàíèçìîâ, ïðè âíåøíåì ñõîäñòâå ïîñëåäíèõ ñ äåàêòèâèðóþùèìè ìóòàöèÿìè, ìîæåò áûòü óñïåøíî âîñïðîèçâåäåíî â ðàìêàõ ïåðâîíà÷àëüíîé ìîäåëè. Îêàçàëîñü òàêæå, ÷òî ñòåïåíü ñîîòâåòñòâèÿ ðåêîíñòðóèðîâàííûõ ïîòîêîâ ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì çàâèñèò îò ñðåäû. Òàê, ìîäåëü E. coli ñóùåñòâåííî óñïåøíåå âîñïðîèçâîäèò ïîòîêè ïðè íåäîñòàòêå óãëåðîäà, ÷åì ïðè íåäîñòàòêå àçîòà [Ä. Âèòêóï, ÷àñòíîå ñîîáùåíèå]. Àíàëîãè÷íî, ïîòîêè ïðè ðîñòå íà îáû÷íûõ èñòî÷íèêàõ óãëåðîäà, òàêèõ êàê ãëþêîçà, âîññòàíàâëèâàþòñÿ ëó÷øå, ÷åì ïîòîêè ïðè ðîñòå íà ãëèöåðîëå [Ibarra-02]. Áîëåå òîãî, ïîñëå îòáîðà íà ðîñò â íåîáû÷íîé ñðåäå (40 äíåé, ïðèáëèçèòåëüíî 700 ïîêîëåíèé), ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåë¼ííûå ïîòîêè ñòàëè ñîâïàäàòü ñ ïðåäñêàçàííûìè. Êàê è â ïðåäûäóùåì ñëó÷àå, íàïðàøèâàåòñÿ ýâîëþöèîííîå îáúÿñíåíèå: ïîõîæå, ÷òî â îïûòå áûëà âîñïðîèçâåäåíà ýâîëþöèÿ â ñòîðîíó îïòèìàëüíîãî èñïîëüçîâàíèÿ íîâîãî èñòî÷íèêà óãëåðîäà, à ýòî ïîñëåäíåå è ðåêîíñòðóèðóåòñÿ â ïîòîêîâîé ìîäåëè. Íàêîíåö, àíàëîãè÷íàÿ ýâîëþöèÿ â ñòîðîíó ïðåäñêàçàííûõ ïîòîêîâ áûëà ïîêàçàíà äëÿ ìóòàíòíûõ øòàììîâ [Fong-03; Fong-04]. Äðóãîé, ìåíåå òðóäî¼ìêèé, ñïîñîá ñðàâíåíèÿ âû÷èñëåííûõ ïîòîêîâ ñ ðåàëüíîñòüþ - èñïîëüçîâàíèå êîñâåííûõ äàííûõ, â ÷àñòíîñòè, èç êîòîðûõ íàèáîëåå ìàññîâûìè è äîñòóïíûìè ÿâëÿþòñÿ äàííûå îá óðîâíÿõ ýêñïðåññèè ãåíîâ â ðàçëè÷íûõ óñëîâèÿõ (ñì. ñïèñîê áàç äàííûõ http://ihome.cuhk.edu.hk/∼b400559/arraysoft_public.html è òàáë. 1). Ïðè ýòîì âîçíèêàþò ñëîæíîñòè, ñâÿçàííûå ñ òåì, ÷òî ñîîòíîøåíèå ìåæäó êîíöåíòðàöèåé ìÐÍÊ è ñêîðîñòüþ ðåàêöèè äëÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî ôåðìåíòà ðàçëè÷íî äëÿ êàæäîãî ãåíà. Äëÿ òîãî ÷òîáû èõ îáîéòè, ìîæíî ðàññìàòðèâàòü ïàðû ýêñïåðèìåíòîâ, îòëè÷àþùèõñÿ, ñêàæåì, ñîñòàâîì ñðåäû, è ñðàâíèâàòü íàáëþäàåìûå îòíîøåíèÿ êîíöåíòðàöèé ìÐÍÊ (êàê ïðàâèëî, èìåííî ýòè âåëè÷èíû ïðèâîäÿòñÿ â áàçàõ äàííûõ) è îòíîøåíèÿ âû÷èñëåííûõ ïîòîêîâ. ßñíî, ÷òî äëÿ òàêîãî àíàëèçà ìîæíî áðàòü òîëüêî äàííûå, ïîëó÷åííûå íà õîðîøî îïðåäåë¼ííûõ ñðåäàõ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, îäíàêî, ÷òî íåÿñíî, äî êàêîé ñòåïåíè êîíöåíòðàöèè ìÐÍÊ è áåëêîâ äàæå â øòàììàõ äèêîãî òèïà êîððåëèðóþò ñ ïðåäñêàçàííûìè ïîòîêàìè. Îòñóòñòâèå òàêîé êîððåëÿöèè äëÿ äðîææåé îáúÿñíÿþò íåó÷¼òîì ðåãóëÿöèè ïðè ïîñòðîåíèè ìîäåëåé [Nielsen-04]. Êà÷åñòâåííîå ñîâïàäåíèå èçìåíåíèé óðîâíåé ýêñïðåññèè ãåíîâ è ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîòîêîâ â êóëüòóðàõ êèøå÷íîé ïàëî÷êè, ïðè ðîñòå íà àöåòàòå è ãëþêîçå áûëî ïîêàçàíî â [Oh-02]. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, àíàëèç ãëèêîëèçà â ïðîñòåéøèõ ïîêàçàë îòñóòñòâèå òàêîé êîððåëÿöèè [terKuile-01]. Îäíîé èç ïðè÷èí ýòîãî ìîæåò ñëóæèòü íåäîñòàòî÷íîñòü äàííûõ, èñïîëüçóåìûõ äëÿ ïîñòðîåíèÿ ìîäåëåé äàæå â õîðîøî èçó÷åííûõ ñèñòåìàõ [Oh-00].  [Stelling-02] áûë ðàçðàáîòàí ìåòîä àíàëèçà ìåòàáîëèçìà, êîòîðûé âû÷èñëÿåò íå îïòèìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ïîòîêîâ äëÿ êàêîãî-òî ôóíêöèîíàëà, à ñðåäíåå ðàñïðåäåëåíèå ïî âñåì ýëåìåíòàðíûì ïîòîêàì (extreme pathways, elementary modes), âîçìîæíûì â ñòàöèîíàðíîì ñîñòîÿ- ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÛÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ ÒÎÌ 5 1 2005 ÐÅÃÓËßÖÈß ÝÊÑÏÐÅÑÑÈÈ ÃÅÍÎÂ È ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÌÎÄÅËÈ ÆÈÂÎÉ ÊËÅÒÊÈ 35 íèè. Óòâåðæäàåòñÿ, ÷òî îòëè÷èÿ ïîòîêîâ ÷åðåç îòäåëüíûå ðåàêöèè, âû÷èñëåííûõ òàêèì îáðàçîì, îò óðîâíåé ýêñïðåññèè, ñðàâíèìû ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè îøèáêàìè â îïðåäåëåíèè ïîñëåäíèõ. 1.3. Ó÷¼ò ðåãóëÿöèè â êèíåòè÷åñêèõ ìîäåëÿõ  êèíåòè÷åñêèõ ìîäåëÿõ ðåãóëÿòîðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ ó÷èòûâàþòñÿ ââåäåíèåì â óðàâíåíèÿ ðåàêöèé ÷ëåíîâ, ó÷èòûâàþùèõ ðåòðîèíãèáèðîâàíèå. Ñòîëü æå ïðîñòî ââåñòè êîýôôèöèåíòû, ðåãó- ëèðóþùèå êîíöåíòðàöèþ ôåðìåíòà â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèé ìåòàáîëèòîâ (è îò âðåìåíè), è òåì ñàìûì âïðÿìóþ ìîäåëèðóþùèå ðåãóëÿöèþ ýêñïðåññèè ãåíîâ. Îäíàêî ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ïàðàìåòðîâ äîâîëüíî ðåäêî áûâàþò èçâåñòíû.  òî æå âðåìÿ, êîãäà ýòî óäà¼òñÿ ñäåëàòü, ìîäåëü ëó÷øå îáúÿñíÿåò ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ ïî ðîñòó ìóòàíòîâ íà ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ [Goltsov-04; Ã.Â.Ëåáåäåâà è Î.Â.ļìèí, ÷àñòíîå ñîîáùåíèå]. Îäíîé èç ñïåöèàëüíûõ ðàçíîâèäíîñòåé êèíåòè÷åñêèõ ìîäåëåé ÿâëÿþòñÿ ìîäåëè ðåãóëÿöèè, ÿâíî ó÷èòûâàþùèå ñêîðîñòè òðàíñêðèïöèè è òðàíñëÿöèè è ïîòðåáíîñòü ýòèõ ïðîöåññîâ â ìåòàáîëèòàõ [Likhoshvai-02].  ÷àñòíîñòè, òàêèì îáðàçîì áûëà ïîñòðîåíà ìîäåëü ðåãóëÿöèè ñèíòåçà àìèíîêèñëîò, â êîòîðîé áûëè ó÷òåíû ðåãóëÿòîðíûå ìåõàíèçìû ðåïðåññèè òðàíñêðèïöèè è àòòåíþàöèè [Elf-01]. Îêàçàëîñü, ÷òî îáà âèäà ðåãóëÿöèè âåñüìà ÷óâñòâèòåëüíû ê êîíöåíòðàöèÿì ðåãóëèðóþùåãî öåëåâîãî ìåòàáîëèòà è â áîëüøåé ÷àñòè èíòåðâàëà ôèçèîëîãè÷åñêè âîçìîæíûõ óñëîâèé ôóíêöèîíèðóþò ïðàêòè÷åñêè êàê ëîãè÷åñêèå ïåðåêëþ÷àòåëè. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ýòî íå âïîëíå ñîãëàñóåòñÿ ñ ìíîæåñòâåííûìè áèîëîãè÷åñêèìè íàáëþäåíèÿìè, óêàçûâàþùèìè, ÷òî ðåãóëÿöèÿ â êëåòêàõ, â ÷àñòíîñòè, ðåãóëÿöèÿ ýêñïðåññèè ãåíîâ àìèíîêèñëîòíûõ îïåðîíîâ, ðåäêî ÿâëÿåòñÿ àáñîëþòíîé. 2. ÂÎÇÌÎÆÍÛÅ ÏÎÑÒÀÍÎÂÊÈ ÇÀÄÀ× Îäíà èç âîçìîæíûõ çàäà÷ àíàëèçà ðåãóëÿöèè â ïîòîêîâûõ ìîäåëÿõ óæå áûëà óïîìÿíóòà ýòî ñðàâíåíèå àäåêâàòíîñòè ïîòîêîâûõ ìîäåëåé äëÿ íîêàóòíûõ ìóòàíòîâ è äëÿ ñëó÷àÿ ðåïðåññèè ãåíîâ, ðåãóëèðóåìûõ â äèêîì øòàììå. Ãèïîòåçà ñîñòîèò â òîì, ÷òî ðåêîíñòðóèðóåìûå ïîòîêè áóäóò ëó÷øå ñîîòâåòñòâîâàòü ýêñïåðèìåíòàëüíûì äàííûì âî âòîðîì ñëó÷àå, íåæåëè â ïåðâîì. Åñëè èçâåñòíû ïàðàìåòðû, îïèñûâàþùèå ðåïðåññèþ èëè àêòèâàöèþ ãåíîâ, ìîæíî âïðÿìóþ ó÷åñòü èõ êàê îãðàíè÷åíèÿ íà ïîòîêè [Covert-01; Covert-03]. Ïðè ýòîì âîçìîæíà èòåðàòèâíàÿ ïðîöåäóðà: âû÷èñëÿþòñÿ ïîòîêè, à, ñòàëî áûòü, è ñòàöèîíàðíûå êîíöåíòðàöèè, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ äëÿ óñòàíîâÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÛÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ ÒÎÌ 5 1 2005 36 ÃÅËÜÔÀÍÄ ëåíèÿ îãðàíè÷åíèé; âû÷èñëÿþòñÿ ïîòîêè ñ ó÷¼òîì ýòèõ îãðàíè÷åíèé, è ò.ä. [Â.À.Ëþáåöêèé, ÷àñòíîå ñîîáùåíèå]. Òàêîãî ðîäà ïðè¼ìû ìîæíî ïðèìåíÿòü, äàæå åñëè îãðàíè÷åíèÿ èçâåñòíû íå ïîëíîñòüþ, íàïðèìåð, òîëüêî â íåñêîëüêèõ ìåòàáîëè÷åñêèõ ïóòÿõ ýòî ðàâíîñèëüíî òîìó, ÷òî îñòàëüíûå ðåàêöèè ñ÷èòàþòñÿ íåðåãóëèðóåìûìè. Êðîìå òîãî, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè, ïî-âèäèìîìó, äîñòàòî÷íî ñ÷èòàòü, ÷òî ëþáàÿ ðåãóëÿöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïî òðèããåðíîìó ìåõàíèçìó: ðåàêöèÿ èä¼ò ëèáî íå èä¼ò â çàâèñèìîñòè îò òîãî, ïðåâûøàåò ëè êîíöåíòðàöèÿ ðåãóëèðóþùåãî ìåòàáîëèòà íåêîòîðûé ôèêñèðîâàííûé ïîðîã (ñð. îáñóæäåíèå â ïîñëåäíåì àáçàöå ïðåäûäóùåãî ïàðàãðàôà). Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ýêñïðåññèîííûå äàííûå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ âûñòàâëåíèÿ îãðàíè÷åíèé íà ïîòîêè. Íàïðèìåð, ïðè ìîäåëèðîâàíèè ìåòàáîëèçìà íà ðàçíûõ ñòàäèÿõ êëåòî÷íîãî öèêëà, ìîæíî ó÷èòûâàòü, êàêèå ãåíû ýêñïðåññèðóþòñÿ íà êàæäîé ñòàäèè. Îäíîé èç ñóùåñòâåííûõ ïðîáëåì çäåñü ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî äàííûå îá óðîâíÿõ ýêñïðåññèè, êàê ïðàâèëî, íå ÿâëÿþòñÿ äèñêðåòíûìè: äëÿ ìíîãèõ ãåíîâ è ñòàäèé íå õàðàêòåðíà àáñîëþòíàÿ ðåïðåññèÿ èëè àêòèâàöèÿ.  òî æå âðåìÿ, íå ÿñíî, êàê ïåðåâåñòè îòíîñèòåëüíûå óðîâíè ýêñïðåññèè â îãðàíè÷åíèÿ äëÿ ïîòîêîâîé ìîäåëè. Äàæå åñëè ñ÷èòàòü, ñèëüíî îãðóáëÿÿ, ÷òî êîíöåíòðàöèè âñåõ ìÐÍÊ ïðîïîðöèîíàëüíû êîíöåíòðàöèÿì ñîîòâåòñòâóþùèõ áåëêîâ (òåì ñàìûì, èãíîðèðóÿ ðàçëè÷èÿ â ñêîðîñòÿõ òðàíñëÿöèè è â óñòîé÷èâîñòè áåëêîâ), âñ¼ ðàâíî îñòà¼òñÿ íåèçâåñòíûì âòîðîé ìíîæèòåëü, îïðåäåëÿþùèé ñêîðîñòü ðåàêöèè, à èìåííî, êîëè÷åñòâî ðåàêöèé, êàòàëèçèðóåìûõ â åäèíèöó âðåìåíè îäíîé ìîëåêóëîé ôåðìåíòà. Òåì ñàìûì, äàæå çíàÿ êîíöåíòðàöèè ìÐÍÊ, íå óäà¼òñÿ âûñòàâèòü îãðàíè÷åíèÿ íà ìàêñèìàëüíûé ïîòîê ÷åðåç ñîîòâåòñòâóþùóþ ðåàêöèþ. Îäèí èç ñïîñîáîâ îáîéòè ýòî îãðàíè÷åíèå, ïî-âèäèìîìó, ñîñòîèò â ñëåäóþùåì. Ïðîâåä¼ì ìîäåëèðîâàíèå äëÿ äîñòàòî÷íî øèðîêîãî ñïåêòðà óñëîâèé, âàðüèðóÿ ñðåäó, öåëåâîé ôóíêöèîíàë, è íàáîð ðàáîòàþùèõ ãåíîâ, è ðàññìîòðèì ìàêñèìàëüíûé èç ïîòîêîâ, íàáëþä¼ííûõ â ýòèõ ìîäåëÿõ äëÿ äàííîé ðåàêöèè. Ñîïîñòàâèì åìó ìàêñèìàëüíûé óðîâåíü ýêñïðåññèè, íàáëþä¼ííûé â ýêñïåðèìåíòå äëÿ äàííîãî ãåíà. Ýòî äàñò òðåáóåìîå ñîîòíîøåíèå ìåæäó íàáëþäàåìûìè (óðîâåíü ýêñïðåññèè/èçìåðåííàÿ êîíöåíòðàöèÿ ìÐÍÊ) è âû÷èñëÿåìûìè (ïîòîê) âåëè÷èíàìè; ÿñíî, ÷òî òàêîå ñîîòíîøåíèå áóäåò ñâîèì äëÿ êàæäîãî ãåíà. Ïîìèìî ýêñïðåññèîííûõ äàííûõ, èíôîðìàöèþ î ðåãóëÿöèè ìîæíî èçâëåêàòü èç ëèòåðàòóðû è èç áàç äàííûõ ðåãóëÿòîðíûõ ñèãíàëîâ: TRANSFAC (http://www.gene-regulation.com), â ÷àñòíîñòè, äðîææåâîé ìîäóëü TSM (http://transfac.gbf.de) [Matys-03] è SCPD (http://cgsigma.cshl.org/jian) [Shu99]. Äàëåå, ìîæíî èñïîëüçîâàòü ðåçóëüòàòû ìàññîâûõ ýêñïåðèìåíòîâ ïî èììóííîé êî-ïðåöèïèòàöèè (http://web.wi.mit.edu/young/regulator_network/) [Lee-02]. Íàêîíåö, èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ãðóïïû ïîòåíöèàëüíî êî-ðåãóëèðóåìûõ ãåíîâ, ïîëó÷àåìûå èç îäíîâðåìåííîãî àíàëèçà ðàçëè÷íûõ èñòî÷íèêîâ äàííûõ, â ÷àñòíîñòè, äàííûõ ïî êî-ýêñïðåññèè è ïî áåëîê-áåëêîâûì âçàèìîäåéñòâèÿì [Troyanskaya03]. Îñîáûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò èñïîëüçîâàíèå òåõíèêè ñðàâíèòåëüíîé ãåíîìèêè äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñòðóêòóðû ìåòàáîëè÷åñêîé êàðòû.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçëîæåíèå ìåòàáîëè÷åñêîé êàðòû íà îò- äåëüíûå ïóòè â òàêèõ áàçàõ äàííûõ êàê KEGG è BioCyc îñíîâàíî íà áèîõèìè÷åñêîé òðàäèöèè. Îáúåêòèâíûå ïîäõîäû ê îïðåäåëåíèþ ïóòåé ìîãóò áûòü îñíîâàíû íà ïðåäïîëîæåíèè, î òîì, ÷òî ãåíû, ñîñòàâëÿþùèå ïóòü, áóäóò âñòðå÷àòüñÿ â ãåíîìàõ îäíîâðåìåííî è ýêñïðåññèðîâàòüñÿ â îäíèõ óñëîâèÿõ.  ñàìîì äåëå, áûëî ïîêàçàíî, ÷òî êëàñòåðû êî-ýêñïðåññèðóåìûõ ãåíîâ â äðîææàõ ÷àñòî ñîîòâåòñòâóþò ëèíåéíûì ìåòàáîëè÷åñêèì ïóòÿì, ïðè÷¼ì èçîôåðìåíòû, ôóíêöèîíèðóþùèå â ñîñòàâå ðàçëè÷íûõ ïóòåé, ïðèíàäëåæàò ê ðàçíûì êëàñòåðàì [Ihmels-04]. Ãåíîìíûå ïîäõîäû ê îïðåäåëåíèþ ïóòåé îñíîâàíû íà àíàëèçå ôèëîãåíåòè÷åñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ [Glazko-04] è ïîçèöèîííîé êëàñòåðèçàöèè [vonMering-03] ïîçâîëÿþò èäåíòèôèöèðîâàòü ãåíû-êàíäèäàòû íà çàïîëíåíèå ïðîáåëîâ â ãåíîì-ñïåöèôè÷åñêèõ ìåòàáîëè÷åñêèõ êàðòàõ. Äðóãîé ïîäõîä ñîñòîèò â èñïîëüçîâàíèè ìåòàáîëè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ: ìåòàáîëè÷åñêèé ïóòü ìîæíî îïðåäåëèòü êàê íàáîð ðåàêöèé, ïîòîêè ÷åðåç êîòîðûå ïîëíîñòüþ èëè ÷àñòè÷íî îáóñëàâëèâàþò äðóã äðóãà [Ederer-03; Burgard-04]. Ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ ñëåäóþùàÿ ïîñòàíîâêà çàäà÷è: íàéòè íàáîð ïîòîêîâ, ñóùåñòâåííî îòëè÷àþùèõñÿ ïðè ðî- ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÛÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ ÒÎÌ 5 1 2005 ÐÅÃÓËßÖÈß ÝÊÑÏÐÅÑÑÈÈ ÃÅÍÎÂ È ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÌÎÄÅËÈ ÆÈÂÎÉ ÊËÅÒÊÈ 37 ñòå íà ìèíèìàëüíîé ñðåäå è íà ñðåäå ñ äîáàâëåíèåì êàêîãî-ëèáî ìåòàáîëèòà (îäíîé àìèíîêèñëîòû, íóêëåîòèäà, êîôàêòîðà) è ñðàâíèòü ýòîò íàáîð ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ðåãóëîíîì, ò.å. íàáîðîì ãåíîâ, ðåãóëèðóåìûõ îäíèì ôàêòîðîì òðàíñêðèïöèè [À.À.Ìèðîíîâ, ÷àñòíîå ñîîáùåíèå]. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ìíîãî÷èñëåííûå íàáëþäåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ðåãóëîíû íå ïîëíîñòüþ êîíñåðâàòèâíû: íàáîðû ãåíîâ, ðåãóëèðóåìûõ îðòîëîãè÷íûìè ôàêòîðàìè òðàíñêðèïöèè, ìîãóò îòëè÷àòüñÿ äàæå â îòíîñèòåëüíî áëèçêèõ ãåíîìàõ. Ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ïóòè, èäåíòèôèöèðîâàííûå ïóò¼ì àíàëèçà ïîòîêîâ, áóäóò ñîîòâåòñòâîâàòü êîíñåðâàòèâíûì ÿäðàì ðåãóëîíîâ. Íàêîíåö, ïðåäñòàâëÿåòñÿ èíòåðåñíûì ïîïûòàòüñÿ ó÷åñòü â êèíåòè÷åñêèõ ìîäåëÿõ ñèëó îòäåëüíûõ ðåãóëÿòîðíûõ ñàéòîâ.  [Zaslaver-04] áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ýêñïðåññèÿ ãåíîâ èç îäíîãî ïóòè ïðè èñêëþ÷åíèè êîíå÷íîãî ìåòàáîëèòà èç ñðåäû (ò.å. ïðè âêëþ÷åíèè ïóòè) ïîä÷èíÿåòñÿ åñòåñòâåííîìó çàêîíó: ýêñïðåññèÿ ãåíà íà÷èíàåòñÿ òåì ðàíüøå, ÷åì áëèæå ê íà÷àëó ïóòè íàõîäèòñÿ êîäèðóåìûé ýòèì ãåíîì ôåðìåíò. Ýòî ìîæåò áûòü îäíèì èç îáúÿñíåíèé äëÿ íàáëþä¼ííîãî íàìè ýôôåêòà êîíñåðâàòèâíîñòè íåêîíñåíñóñíûõ íóêëåîòèäîâ â îðòîëîãè÷íûõ ðåãóëÿòîðíûõ ñàéòàõ [Kotelnikova-05]. Ïîñêîëüêó èçâåñòíî, ÷òî åñòü êîððåëÿöèÿ ìåæäó ñèëîé ñàéòà è åãî áëèçîñòüþ ê êîíñåíñóñó, ìîæíî ïûòàòüñÿ îöåíèòü óðîâåíü ðåãóëÿöèè äëÿ ëþáîãî ñàéòà, è ó÷åñòü åãî â êèíåòè÷åñêîé ìîäåëè. Èíòåðåñíî òàêæå, íàñêîëüêî òàêèå ìîäåëè áóäóò âîñïðîèçâîäèòü ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå.  êà÷åñòâå ïðåäâàðèòåëüíîãî àíàëèçà áûëî áû èíòåðåñíî ñîïîñòàâèòü (ïðåäñêàçàííóþ) ñèëó ñàéòà è ïîëîæåíèå íà ìåòàáîëè÷åñêîì ïóòè ôåðìåíòà, êîäèðóåìîãî ðåãóëèðóåìûì ãåíîì. Àâòîð âûðàæàåò áëàãîäàðíîñòü Ë.Í.Äðîçäîâó-Òèõîìèðîâó, Â.À.Ëþáåöêîìó, À.À.Ìèðîíîâó çà öåííîå îáñóæäåíèå. Ýòà ðàáîòà áûëà ÷àñòè÷íî ïîääåðæàíà ïðîãðàììàìè Ìîëåêóëÿðíàÿ è êëåòî÷íàÿ áèîëîãèÿ è Ïðîèñõîæäåíèå è ýâîëþöèÿ áèîñôåðû ÐÀÍ. ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ 1. Blank L.M., Kuepfer L., Sauer U. Deciphering metabolic network robustness. Systems Biology ICSB'2004 (Heidelberg, Germany), p. 85. 5th Int. Conf. on Computational 2. Burgard A.P., Nikolaev E.V., Schilling C.H., Maranas C.D. Flux coupling analysis of genome-scale metabolic network reconstructions. Genome Res., 2004, vol. 14, pp. 301312. 3. Carlson R., Fell D., Srienc F. Metabolic pathway analysis of a recombinant yeast for rational strain development. Biotechnol. Bioeng., 2002, vol. 79, pp. 121134. 4. Covert M.W., Schilling C.H., Palsson B.Ø. Regulation of gene expression in flux balance models of metabolism. J. Theor. Biol., 2001, vol. 213, pp. 7388. 5. Covert M.W., Palsson B.Ø. Transcriptional regulation in constraints-based metabolic models of Escherichia coli. J. Biol. Chem., 2002, vol. 277, pp. 2805828064. 6. Covert M.W., Palsson B.Ø. Constraints-based models: regulation of gene expression reduces the steady-state solution space. J. Theor. Biol., vol. 221, pp. 309325. Saccharomyces cerevisiae iND750, a Genome Res., 2004, vol. 14, pp. 12981309. 7. Duarte N.C., Herrgard M.J., Palsson B.Ø. Reconstruction and validation of fully compartmentalized genome-scale metabolic model. 8. Ederer M., Sauter T., Bullinger E., Gilles E.D., Allgover F. An approach for dividing models of biological reaction networks into functional units. Simulation, 2003, vol. 79, pp. 703716. Escherichia coli MG1655 in silico metabolic genotype: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000, vol. 97, pp. 55285533. 9. Edwards J.S., Palsson B.Ø. The tics, and capabilities. 10. Edwards J.S., Palsson B.Ø. Metabolic flux balance analysis and the gene deletions. BMC Bioinformatics, 2000a, vol. 1, pp. 1. analysis of In silico predictions of Escherichia coli Nat. Biotechnol. 2001, vol. 19, pp. 125130. 11. Edwards J.S., Ibarra R.U., Palsson B.Ø. consistent with experimental data. in silico its definition, characteris- Escherichia coli K-12 metabolic capabilities are 12. Elf J., Berg O.G., Ehrenberg M.J. Comparison of repressor and transcriptional attenuator systems for control of amino acid biosynthetic operons. J. Mol Biol., 2001, 313, pp. 941954. ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÛÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ ÒÎÌ 5 1 2005 38 ÃÅËÜÔÀÍÄ Escherichia coli in silico metabolic model. J. Bacteriol., vol. 185, pp. 64006408. 13. Fong S.S., Marciniak J.Y., Palsson B.Ø. Description and interpretation of adaptive evolution of K-12 MG1655 by using a genome-scale 14. Fong S.S., Palsson B.Ø. Metabolic gene deletion strains of growth phenotypes. Nature Genet., vol. 36, pp. 10561058. Escherichia coli evolve to computationally predicted 15. Foster J., Famili I., Fu P., Palsson B.Ø., Nielsen J. Genome-scale reconstruction of the metabolic network. Genome Res., 2003, vol. 13, pp. 244253. Saccharomyces cerevisiae 16. Goltsov A.N., Lebedeva G.V., Lavrova A.I., Demin O.V. Modeling of purine nucleotides biosynthesis in E. coli. 5th Int. Conf. on Computational Systems Biology ICSB'2004 (Heidelberg, Germany), p. 95. 17. Glazko G.V., Mushegian A.R. Detection of evolutionarily stable fragments of cellular pathways by hierarchical clustering of phyletic patterns. Genome Biol., 2004, vol. 5, p. R32. Escherichia coli K-12 undergoes adaptive evolution to achieve in silico Nature, 2002, vol. 420, pp. 186189. 18. Ibarra R.U., Edwards J.S, Palsson B.Ø. predicted optimal growth. 19. Ihmels J., Levy R., Barkai N. Principles of transcriptional control in the metabolic network of cerevisiae. Nat. Biotechnol., 2004, vol. 22, pp. 8692. Saccharomyces 20. Kotelnikova E.A., Makeev V.Y., Gelfand M.S. Evolution of transcription factor DNA binding sites. Gene, 2005, in press. 21. Lee T.I., Rinaldi N.J., Robert F., Odom D.T., Bar-Joseph Z., Gerber G.K., Hannett N.M., Harbison C.T., Thompson C.M., Simon I., Zeitlinger J., Jennings E.G., Murray H.L., Gordon D.B., Ren B., Wyrick J.J., Tagne J.B., Volkert T.L., Fraenkel E., Gifford D.K., Young R.A. Transcriptional regulatory networks in Science, 2002, vol. 298, pp. 799804. Saccharomyces cerevisiae. 22. Likhoshvai V.A., Matushkin Y.G. Differentiation of single-cell organisms according to elongation stages crucial for gene expression efficacy. FEBS Lett., 2002, vol. 516, pp. 8792. 23. Matys V., Fricke E., Geffers R., Gossling E., Haubrock M., Hehl R., Hornischer K., Karas D., Kel A.E., KelMargoulis O.V., Kloos D.U., Land S., Lewicki-Potapov B., Michael H., Munch R., Reuter I., Rotert S., Saxel H., Scheer M., Thiele S., Wingender E. TRANSFAC: transcriptional regulation, from patterns to profiles. Acids Res., 2003, vol. 31, pp. 374378. 24. Nielsen J. From gene expression to metabolic fluxes. Nucleic 5th Int. Conf. on Computational Systems Biology ICSB'2004 (Heidelberg, Germany), p. 23. 25. Oh M.K., Liao J.C. Gene expression profiling by DNA microarrays and metabolic fluxes in Biotechnol. Prog., 2000, vol. 16, pp. 278286. 26. Oh M.K., Rohlin L., Kao K.C., Liao J.C. Global expression profiling of acetate-grown Chem., 2002, vol. 277, pp. 1317513183. Escherichia coli. Escherichia coli. J. Biol. 27. Ramakrishna R., Edwards J.S., McCulloch A, Palsson B.O. Flux-balance analysis of mitochondrial energy metabolism: consequences of systemic stoichometric constraints. Am. J. Regulatory Integrative Comp. Physiol., 2001, vol. 280, pp. R695R705. 28. Segre D., Vitkup D., Church G.M. Analysis of optimality in natural and perturbed metabolic networks. Acad. Sci. USA, 2002, vol. 99, pp. 1511215117. Proc. Natl. 29. Stelling J., Klamt S., Bettenbrock K., Schuster S., Gilles E.D. Metabolic network structure determines key aspects of functionality and regulation. Nature, 2002, vol. 420, pp. 190193. 30. ter Kuile B.H., Westerhoff H.V. Transcriptome meets metabolome: hierarchical and metabolic regulation of the glycolytic pathway. FEBS Lett., 2001, vol. 500, pp. 169171. 31. Troyanskaya O.G., Dolinski K., Owen A.B., Altman R.B., Botstein D. A Bayesian framework for combining heterogeneous data sources for gene function prediction (in Saccharomyces cerevisiae). Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, vol. 100, pp. 83488353. 32. Vo T.D., Greenberg H.J., Palsson B.O. Reconstruction and functional characterization of the human mitochondrial metabolic network based on proteomic and biochemical data. J. Biol. Chem., 2004, vol. 279, pp. 3953235940. ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÛÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ ÒÎÌ 5 1 2005 ÐÅÃÓËßÖÈß ÝÊÑÏÐÅÑÑÈÈ ÃÅÍÎÂ È ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÌÎÄÅËÈ ÆÈÂÎÉ ÊËÅÒÊÈ 39 33. von Mering C., Zdobnov E.M., Tsoka S., Ciccarelli F.D., Pereira-Leal J.B., Ouzounis C.A., Bork P. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, vol. 100, pp. 1542815433. 34. Zaslaver A., Mayo A.E., Rosenberg R., Bashkin P., Sberro H., Tsalyuk M., Surette M.G., Alon U. Just-in-time transcription program in metabolic pathways. Nat. Genet., 2004, vol. 36, pp. 486-491. 35. Zhu J., Zhang M.Q. SCPD: a promoter database of the yeast 15, pp. 607-611. ÈÍÔÎÐÌÀÖÈÎÍÍÛÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ ÒÎÌ 5 1 2005 Saccharomyces cerevisiae. Bioinformatics, 1999, vol.
