ACSN — глобальный атлас сигнальных путей
М.С.Кондратова, А.Ю.Зиновьев, И.Н.Куперштейн
Всего какие-то два-три десятка лет назад, не говоря уже о временах более отдаленных, молекулярная биология испытывала острый дефицит экспериментальных данных. Очистка, кристаллизация белков и получение информации об их пространственной структуре были сложным многолетним таинством, похожим на алхимическое превращение. Секвенирование биополимеров (определение последовательности нуклеотидов в генах или аминокислот в белках) — таинством многомесячным. Изучение взаимодействий макромолекул требовало «штучных» экспериментов, протоколы для которых оттачивались подолгу. Теоретическая биология занималась разработкой предсказательных алгоритмов для всего и вся, и предсказания эти при всей своей неточности были очень востребованы, поскольку хоть как-то прикрывали и латали зияющие прорехи нашего незнания.
Ситуация изменилась быстро и драматично. Появились экспериментальные методы, позволяющие анализировать экспрессию десятков тысяч генов одновременно, следить за поведением тысяч белков, отслеживать мутации во всем геноме. Результаты, полученные в ходе таких высокопроизводительных экспериментов, расширили наши представления о молекулярных основах живого и одновременно
© Кондратова М.С., Зиновьев А.Ю.,
Куперштейн И.Н., 2015
Мария Сергеевна Кондратова, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории вычислительной системной биологии рака Института Кюри (Institut Curie, Париж, Франция). Специалист в области структурной и системной биологии. Занимается изучением иммунного ответа при раке. Победитель конкурса научно-популярных статей «Био/мол/текст» 2014 г.*
Андрей Юрьевич Зиновьев, кандидат технических наук, хабилитированный доктор биологии, научный руководитель той же лаборатории, инициатор и руководитель проекта ACSN. Область научных интересов — математическое моделирование клеточных процессов, визуализация и анализ данных в молекулярной биологии, разработка научного программного обеспечения.
Инна Николаевна Куперштейн, PhD по
нейрохимии, ведущий научный сотрудник той же лаборатории, координатор проекта ACSN. Занимается моделированием синтетических взаимодействий между генами при раке для предсказания лекарственного ответа и развития новых стратегий медикаментозного лечения рака.
* Автору присуждены вторые премии в двух номинациях (подробнее о конкурсе и его результатах см. на сайте «Биомолекула» — biomolecula.ru/content/1437). Здесь мы публикуем переработанный вариант статьи, победившей в номинации «Биоинформатика и молекулярная эволюция». К публикации в одном из следующих номеров готовится вторая статья автора «Одураченные макрофаги, или несколько слов о том, как злокачественные опухоли обманывают иммунитет», отмеченная в номинация «Лучший обзор» . — Примеч. ред.
послужили источником принципиально нового системного кризиса — молекулярная биология перестала страдать от дефицита данных и начала задыхаться, придавленная их избытком. (Порой, просматривая многостраничные перечни статей, выдаваемые РиЬМеё в ответ на небольшой запрос, нет-нет, да и подумаешь: не исключено, что мы уже обладаем всей необходимой для понимания жизни информацией, просто она из рук вон плохо организована...)
Ответом на этот вызов стало рождение системной биологии — междисциплинарной науки, которая объединяет самую разную молекулярно-биологическую информацию в единую (и по мере сил внутренне непротиворечивую) систему. Эта задача эффективного «монтажа» разных типов данных, разных уровней научного познания не решена до сих пор, но в этой статье мы покажем по крайней мере несколько возможных направлений ее решения.
От таблиц к графическим рисункам
Один из очевидных и эффективных способов интеграции информации — ее визуализация, т.е. использование образов, хотя бы двухмерных и неподвижных, а в идеале, конечно, трехмерных и динамических. Удачная «картинка» стоит многостраничного описания. И биологи (в отличие от ученых других специальностей) всегда отдавали должное этой особенности человеческого восприятия. Биология всегда была «визуальной» наукой, вплоть до того, что до недавнего времени умение рисовать было одним из важнейших профессиональных навыков ботаников и зоологов. И по сей день качественная инфогра-фика считается «фирменным знаком» лучших биологических публикаций. К примеру, в фундаментальной статье Д.Ханаха-на и Р.Вайнберга [1] об отличительных признаках рака (к их обсуждению мы вернемся чуть позже) много тонких мыслей и глубоких обобщений, но в память врезаются не они, а знаменитый рисунок с пиктограммами, отражающими разные аспекты злокачественной трансформации клеток (рис.1).
Нет ничего удивительного в том, что именно «визуальный» подход лег в основу системной биологии. Важнейшим способом интеграции молекулярно-биологических данных стали
графические схемы — карты молекулярных взаимодействий, т.е. событий, объединенных причинно-следственными связями и определяющих разные аспекты жизнедеятельности клетки (скорость деления, способность синтезировать те или иные вещества и т.д.). Начало такому способу представления молекулярных данных положили биохимики еще в 60-х годах прошлого века. Они стали изображать в виде графических схем этапы превращений низкомолекулярных веществ, как относительно простых (например, известный любому выпускнику биофака цикл Кребса), так и гораздо более сложных (синтез аминокислот или витаминов). Формальный язык, или графическая нотация* системной биологии (англ. Systems Biology Graphical Notation, SBGN), изначально был создан для визуализации именно биохимической информации, а уже потом стал использоваться молекулярными биологами [2].
* В данном случае слово «нотация» (от лат. notatio — записывание, замечание) не связано с назиданием или моралью; в системной биологии под этим термином скрывается набор символов, которые используются для графического представления элементов биологических систем и взаимодействий между ними. Для разработки стандартов SBGN в 2005 г. Х.Китано (H.Kitano), директор токийского Института системной биологии (The Systems Biology Institute), собрал международную группу специалистов (биохимиков, молекулярных биологов и биоинформатиков). С их разработками можно ознакомиться на портале SBGN (www.sbgn.org). — Примеч. ред.
Рис.1. Отличительные особенности раковых клеток [1].
Молекулярный детектив
Задача системного биолога, который реконструирует в виде схемы цепочку молекулярных взаимодействий, ответственных, например, за деление клетки, в чем-то похожа на задачу археолога, воссоздающего из осколков древнюю вазу. Сначала необходимо из груды керамического мусора отобрать осколки, относящиеся именно к этой вазе (выбрать из множества публикаций именно те, которые описывают интересующие взаимодействия). Потом нужно расположить их в правильном порядке относительно друг друга, а имеющиеся пустоты (осколков всегда меньше, чем нужно для идеальной реконструкции) заполнить правдоподобными предположениями и гипотезами. Вазу имеет смысл реконструировать от днища к краям; воссоздание молекулярных взаимодействий также предполагает определенную логику и последовательность, соответствующую естественному порядку развития клеточного ответа, который, как правило, проходит в несколько стадий.
Сигнальная молекула (гормон, цитокин, токсин) связывается с рецептором на поверхности мембраны, который активирует белки-посредни-
ки (киназы) внутри клетки. Запускается каскад биохимических реакций, похожий на спортивную эстафету: первая киназа модифицирует (фосфорилирует) вторую киназу, вторая — третью, а та — четвертую. В конце концов, сигнал достигает клеточного ядра. В игру вступают транскрипционные факторы — белки, способные «разбудить» (или, напротив, «усыпить») те или иные гены. Каждый такой фактор управляет, как правило, целой группой генов, так что в ответ на единичный сигнал синтезируется множество новых белков, которые заметно меняют правила клеточной игры. Этот процесс преобразования внешнего (по отношению к клетке) сигнала в собственную внутриклеточную активность, приводящий к тем или иным последствиям (например, к росту, делению или гибели клетки), называется сигнальным путем. Разные сигнальные пути обеспечивают согласованную активность клеток в многоклеточном организме, позволяя ему функционировать как единое целое, определяют специализацию разных органов и тканей, регулируют рост и развитие организма. Переплетаясь и пересекаясь друг с другом, сигнальные пути образуют сети (рис.2).
Рис.2. Карта сигнальных путей рецептора эпидермального фактора роста (англ. Epidermal Growth Factor, EGF) [3]. EGF, свя-зывась с рецепторами, фосфорилирует белки, что активирует транскрипционные факторы, регулирующие синтез мРНК и транскрипцию генов, стимулирующих рост клеток. Неисправность сигнальной системы рецептора EGF (EGFR) приводит к развитию рака — нарушением функциональной активности EGF и EGFR обусловлено более 70% всех злокачественных новообразований.
Каждый кусочек такой «молекулярной эстафеты» описан, как правило, в отдельной статье, и задача исследователя — собрать их все и правильно расположить на карте. На первый взгляд это может показаться довольно простым делом, но если иметь в виду, что одновременно в клетке происходит несколько сотен таких эстафет и во многих из них участвуют одни и те же игроки... Пожалуй, археологическая реконструкция — это все-таки не самое удачное сравнение; процедура «распутывания» сети молекулярно-биологических взаимодействий больше похожа на детективное расследование.
Движок Google Maps для биологических карт
В настоящее время существует множество как коммерческих, так и открытых (общедоступных) коллекций молекулярных карт самых разных клеточных процессов*. Но сказать, что проблема интеграции молекулярно-биологической информации полностью решена, было бы преждевременно. Все та же проблема «общего» и «частного» присутствует и здесь, хотя и на несколько ином уровне: маленькая карта — неполна, большая — необозрима...
Однако с подобными проблемами — сочетанием разноуровневых аспектов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.