ИЗУЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ КАНЦЕРОГЕНЕЗА С ПОМОЩЬЮ ДОМЕННО- ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА Борисов Н.М.

ИЗУЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ
КАНЦЕРОГЕНЕЗА С ПОМОЩЬЮ ДОМЕННООРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА
Борисов Н.М.
Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна
ФМБА России
Международная коллаборация
• Thomas Jefferson University (Philadelphia, USA): Boris
Kholodenko, Anatoly Kiyatkin, Edita Aksamitiene, Nikolai
Markevich, Jan Hoek, Marc Birthwitsle et. al.
• Humboldt-University (Berlin, Germany): Stefan Legewie
• University of Freiburg (Germany): Thomas Maiwald
• University of Pittsburgh (USA): Jim Faeder
• RIKEN (JAPAN): Mariko Hatakeyama et al.
• Институт биофизики клетки РАН (Пущино, Россия):
Н.П.Каймачников, М.Цыганов
• ФМБЦ им. А.И.Бурназяна (Москва, Россия):
Н.М.Борисов, А.С.Чистопольский и др.
Зачем радиобиологу изучать
сигнальные пути?
Судьба клетки
определяется
временнóй
зависимостью
активации белкаэффектора
Дифференцировка
Клетка
Пролиферация
Апоптоз
Marshall, 1995: Временная зависимость активации ERK
определяет судьбу клетки. Быстро убывающий сигнал
приводит к пролиферации с риском злокачественных
трансформаций, а продолжительный сигнал способен
инициировать экспрессию генов, отвечающих за
дифференцировку клеток.
Проблема комбинаторной сложности при математическом
моделировании сигнальных путей
Пример: ErbBрецепторы Состояние
Сайт
L
Ligand
Binding
Dimerization
Kinase
Domain
Docking
(pY)
Yarden and Sliwkowski, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2:127 (2001)
•
•
У сигнальных белков имеется
множество сайтов связывания,
каждый из которых может быть в
множестве состояний
p Y
Каждой комбинации состояний
Y
сайтов соответствует переменная в
системе ОДУ
A1
p Y
Y
p Y
1
1
1
10
переменных:
Y
Y p
Y p
Y
None or
1,2,3,4
Active or
Inactive
Y, pY,
Bound
2
5
2
3
21*51*21*310=
Число
Y
Bound
or Not
A2
1,180,980
Пример: Многосайтовый белок GAB1
Grb2
PIP3
CRKL
PLC
RasGAP
PH: Pleckstrin Homology
MBS: Met Binding Sequence
P: Proline Rich Domains
GBS: Grb2 Binding Sequence
Schaeper et al., J. Cell Biol., 2000
Met
SHP2
PI-3K
Gu and Neel, TRENDS
in Cell Biology, 2003
Состояния комплекса из нескольких
рецепторов и адапторов
BioNetGen 2, среда для программирования
кинетических систем (Jim Faeder, UPitt)
Step 1:
Model specification
(BNGL-file)
Step2:
Network generation
(net-file)
Parameters
Species (seed)
Reaction rules
Observables
(patterns)
Blocks:
Blocks:
Parameters
Species
(list of all species )
Reactions
Groups (species
and their weights for
each observable)
Step3:
ODE solving
Два предельных случая
• Абсолютно конкурентное связывание партнеров на
многоцентровых белках. Удобно для моделирования:
нет комбинаторной сложности
• Абсолютно независимое связывание партнеров на
многоцентровых белках. Необходимы методы
уменьшения числа переменных!
Промежуточный случай – наличие аллостерических
взаимодействий между партнерами (с точки зрения
моделирования самый неудобный): основной метод –
ограничение числа молекул в комплексе.
Доменно-ориентированный подход к
сокращению числа переменных
Borisov et al., Biophys J, 2005; BioSystems, 2006: S – многосайтовый адаптор, R
– рецепторная тирозин-киназа, A1 and A2 – партнеры белка S
Если связывание A1 and A2
происходит независимо, то:
2
2
a2  0
a1 0
S1 (a1 , h)   s(a1 , a2 ; h), S 2 (a2 , h)   s(a1 , a2 ; h)
S1 (a1 , h) 
2
2
a2  0
a1  0
 s(a1 , a2 ; h), S2 (a2 , h)   s(a1 , a2 ; h)
Механистическое (микро-) описание: 18
переменных, 33 реакции
Доменно-ориентированное (макро-)
описание: 12 переменных и 14 реакций
Суть ДОП: замена «полных» (исходных) белков
«вспомогательными» белками, которые имеют меньше сайтов
Полная (микро-) модель
Сокращенная (макро-)
модель
Модуль автоматического доменноориентированное сокращения моделей в среде
BioNetGen 2
Borisov et al., IET Systems Biol, 2008
Результат работы доменно-ориентированного
модуля для BioNetGen 2
EGFRподобный
димер
FcεRIподобный
димер
Число
перменных в
микро-/
макромодели
Число
реакций в
микро-/
макромодели
Время
генерации
сигнального
пути, сек,
для микро-/
макромодели
Время
интеграции
системы
ОДУ, сек,
для микро-/
макромодели
Рецептор с 2
тирозиновы
ми сайтами
708/108
7432/534
51.6/8.45
1.45/0.22
Рецептор с 2
тирозиновы
ми сайтами
6000/135 81364/642
662.0/12.0
12.58/0.76
Рецептор с 2
тирозиновы
ми сайтами
213/48
2230/198
14.2/3.87
0.47/0.15
Рецептор с 2
тирозиновы
ми сайтами
1599/60
22990/240
182.4/6.02
3.58/0.12
Сочетанное воздействие инсулином и ЭФР
Borisov et al, 2009, Mol Syst Biol, 2009 (submitted)
Сравнение «независимого» и
«конкурентного» подход в больших моделях
Модель
Сигнальный путь ЭФР:
независимая модель с
ДОП,
Kiyatkin et al, JBC, 2006
Сочетанный путь ЭФРинсулин: конкурентная
модель,
Borisov et al, MSB, 2009
(submitted)
Число переменных
Около 200
78
Число реакций
Около 500
111
«Подгонка» параметров системы:
сочетанный ЭФР-инсулиновый сигнал
Предсказание поведения системы:
деплеция GAB1 c помощью миРНК
Предсказание поведения системы:
ингибирование SHP2
Предсказание поведения системы:
деплеция Src
Философский вопрос: нужны ли
большие модели в биологии
1. Вычислительная математика «выросла» из
«прямых» задач (таких, как задача Коши и др.),
для решения которых «законы природы» были
известны и просты (законы Ньютона в физике,
закон действующих масс в химии).
2. В биологии «законы природы» сложнее и не
всегда известны, поэтому для их исследования
почти всегда приходится решать «обратные»
зачади вычислительной математики.
Проблема свободных параметров
4.
5.
6.
Астрономия началась с неверной гипотезы о «законах
природы» (геоцентризм). Она, тем не менее,
укладывалась в тогдашние наблюдения.
К эпохе Возрождения возникла проблема
несоответствия наблюдаемых данных и
птолемеевского геоцентризма.
В эпоху Возрождения было предложено два подхода
к астрономии – пересмотр парадигмы (КоперникКеплер-Ньютон) и подгонак свобюодных параметров
под геоцентризм (Тихо Браге.
Проблема свободных параметров
7. Любую математическую модель можно «втиснуть» в
совокупность экспериментальных данных за счет
свободных параметров, но ценность такой модели
сомнительна.
8. Значит, ценная математическая модель должна давать
нетривиальные экспериментально проверяемые
предсказания после подгонки свободных параметров