Задачи по моделям процессов в клетке

Буквально в последние несколько лет появились точно сформулированные описания биологических процессов молекулярного уровня. Хотя в них используется несложная математика, до сих пор не удается провести строгого исследования ни одной задачи, что было бы очень желательно для биологических выводов. Математическое исследование заменяется компьютерным моделированием, которое в этой области приобрело нетривиальный характер также только в последние годы. В статье, доступной по следующей ссылке, мы приводим несколько примеров процессов, которые безусловно содержательно описывают биологические явления.

В.А. Любецкий, А.В. Селиверстов «Математические задачи биологической эволюции и регуляции молекулярного уровня» (PDF, 400KB)

Задачи для студента и аспиранта

Задача 1. Модель классической аттенюаторной регуляции у бактерий

Аннотация,  литература для введения в проблематику  

Регуляция экспрессии генов, в частности, означает включение и выключение транскрипции групп генов и относится к основным механизмам жизнедеятельности. Известно несколько механизмов регуляции, один из них - классическая аттенюаторная регуляция. Нами разработаны модель, компьютерная программа и сервер, которые служат для поиска методами биоинформатики участков генома, связанных с этой регуляцией, и также – для вычисления зависимости экспрессии генов и, в конечном счете, активности соответствующих ферментов от регулируемой концентрации аминокислоты, см. http://lab6.iitp.ru/rnamodel. Эта модель широко тестирована для триптофана, концентрация которого в клетке у многих видов бактерий регулируется с помощью аттенюации. Задача в том, чтобы для других аминокислот, концентрация которых регулируется аналогичным образом, проверить, дополнить и расширить эту модель, провести с ее помощью массовый анализ этой регуляции у бактерий. А также - более тщательно учесть влияние инициации как транскрипции, так и трансляции. Предполагается прочесть статьи и работать с готовой компьютерной программой; или подбирать данные в соответствующих базах и анализировать результаты счета для них; или вносить изменения в модель и программу. Конкретное содержание работы будет зависеть от того, с какого курса студент, какова его подготовка и от его выбора.

В.А. Любецкий, Л.И. Рубанов, А.В. Селиверстов, С.А. Пирогов. Model of gene expression regulation in bacteria via formation of RNA secondary structures, Молекулярная биология, т. 40, № 3, 2006, с. 497 - 511.

Lyubetsky V., Pirogov S., Rubanov L., Seliverstov A. Modeling classic attenuation regulation of gene expression in bacteria, 2007, Journal of Bioinformatics and Computational Biology, v.5, no 1.

Задача 2. Вычисление энергии РНКовой структуры

Аннотация,  литература для введения в проблематику  

Формирование одной из нескольких альтернативных вторичных структур РНК – фундаментальный механизм функционирования бактериальной клетки, в нем принимают участие молекулы, стабилизирующие вторичную структуру, играет роль и третичная структура. Часто функционально значимой является структура, возникающая за столь малое время, что не приходится говорить о ее равновесном характере. Значимость структуры обычно определяется по величине энергии. Многие программы находят вторичные структуры с энергией близкой к минимально возможной, т.е. находят структуры близкие к равновесным. Правильное вычисление энергии структуры, существующей короткое время, – особенно трудная задача. Хотя проблема вычисления энергии структуры (особенно равновесной) исследуется давно и многими авторами, она, по-видимому, далеко не имеет окончательного решения в общей ситуации. Задача состоит в анализе экспериментального материала, разработки модели и программы, сравнение существующих программ, в том числе, предложенной нами, с целью адекватного вычисления энергии вторичной структуры с учетом дополнительных факторов. Студент может заняться одной из перечисленных частей этой задачи.

Литература – та же, что указана выше. 

Задача 3. Модели эволюции регуляторного сигнала, белкового семейства, видов

Аннотация,  литература для введения в проблематику  

Эволюция белковых семейств и видов широко изучается, с этой целью разработаны многочисленные программные средства, построены деревья видов и деревья белков, реконструированы эволюционные события молекулярного уровня. Эта более традиционная тематика разрабатывается в нашей лаборатории и здесь можно продолжить исследования, в частности, на основе нашей программы построения супердерева и определения событий возникновения, горизонтального переноса генов.

В этих рамках нами, в частности, строится дерево Metazoa (животных), и в этом можно принять участие.

Напротив, эволюция регуляторных сигналов практически не изучалась до недавнего времени. Нами разработаны модели эволюции регуляторного сигнала: белок-ДНКового или такого, у которого механизм существенно зависит от вторичной структуры соответствующей РНК. Модели компьютерно реализованы и тестировалась на ряде сигналов (например, для сайтов связывания белков-регуляторов NrdR, MntR и LacI-семейства). Задача в том, чтобы тестировать первую модель на других сигналах, для этого собирая данные из литературы и баз данных по белковому семейству фактора транскрипции и по сайтам связывания белка-регулятора и внося уточнения в модель и компьютерную программу. Другая задача – уточнить, расширить и тестировать вторую модель, связанную с образованием терминатора или секвестора. Работа может касаться отдельных частей всего проекта, например, включать программирование или нет, ограничиваясь работой с уже готовой компьютерной программой.

V. Lyubetsky, K. Gorbunov, L. Rusin, V. V’yugin, Algorithms to reconstruct evolutionary events at molecular level and infer species phylogeny. An article in the book: Bioinformatics of Genome Regulation and Structure II. Springer Science & Business Media, Inc. 2005, p. 189-204.

Русин Л.Ю., Рубанов Л.И., Любецкий В.А. «Данные для построения эволюционного дерева высших Metazoa» Информационные процессы, том 7, № 3. с. 199-213.

Горбунов К.Ю., Любецкий В.А. «Эволюция предковых регуляторных сигналов вдоль дерева эволюции фактора транскрипции» Молекулярная биология, 2007, том 41, №5, с. 918-925.

Любецкий В.А., Жижина Е.А., Горбунов К.Ю., Селиверстов А.В. «Модель эволюции нуклеотидной последовательности» Труды конференции «Математические методы распознавания образов», 2007, с. 605-609. 

Задача 4. Регуляторные структуры РНК у актинобактерий и протеобактерий

Аннотация,  литература для введения в проблематику  

Изучение регуляции экспрессии генов на уровне мРНК (транскрипция или трансляция) – одна из ведущих новых тем в области регуляции экспрессии генов. Однако весьма важные, в том числе и с практической точки зрения, актинобактерии до последнего времени мало изучались в этом плане. Нами предсказаны различные РНКовые регуляции у актинобактерий для генов, участвующих в синтезе аминокислот: триптофана, цистеина, лейцина, изолейцина. Задача в том, чтобы изучить эти результаты, уточнить их, например, поискать соответствующие белки-посредники, и распространить их на другие аминокислоты и на вновь секвенированные геномы бактерий. Предполагается прочесть статьи и собрать данные, относящиеся к РНКовой регуляции у актинобактерий. Также нами найдены многочисленные новые случаи такой регуляции у гораздо лучше изученных протеобактерий. Задача также состоит в массовом поиске такой регуляции для разных филогенетических групп. Для поиска регуляции нами разработана компьютерная программа, которую можно совершенствовать (программистская работа) или в готовом виде применять к новым данным. 

Seliverstov A.V., Putzer H., Gelfand M.S., Lyubetsky V.A., Comparative analysis of RNA regulatory elements of amino acid metabolism genes in Actinobacteria. BMC Microbiology 2005, 5:54 (компьютерная версия: http://www.biomedcentral.com/1471-2180/5/54).

Селиверстов А.В., Любецкий В.А. «Регуляция транскрипции генов биосинтеза пролина у протеобактерий» Молекулярная биология, 2007, том 41, №3, с. 572-574.

Любецкая Е.В., Селиверстов А.В., Любецкий В.А. «У актинобактерий число длинных шпилек в межгенных трейлерных областях велико по сравнению с другими областями генома» Молекулярная биология, 2007, Том 41, N 3, с. 739-742. 

Задача 5. Регуляторные структуры у пластид растений и водорослей

Аннотация,  литература для введения в проблематику  

Сейчас доступны полные геномы пластид (в частности, хлоропластов) 120 видов растений и водорослей. Известны несколько полных ядерных геномов растений и водорослей, а также полные геномы нуклеоморфов у Guillardia theta и Bigelowiella natans. Несмотря на длительное исследование хлоропластных белков мало известно о регуляции их экспрессии, хотя экспериментальные данные подтверждают значительное разнообразие регуляторных механизмов и их быструю эволюцию в этом случае. Белки хлоропластов чрезвычайно консервативны, но есть основания полагать, что некоторые регуляторные структуры возникли у общего предка семейства крестоцветных или у предка  таксономической группы eurosids II (крестоцветные, апельсин, хлопок и т.д.). Непосредственный перенос  данных об Arabidopsis thaliana на большинство других видов невозможен.

Это делает важным исследование 5"-лидерных областей генов у пластид. Тогда можно будет понять механизмы регуляции процессов, во-первых, ограничивающих развитие растений, во-вторых, тесно связанных с дифференцировкой тканей и возможностью вегетативного размножения. Кроме того, поскольку регуляция связана с белками, кодируемыми в ядре, исследования регуляторных структур у пластид позволяют судить об эволюции ядерного генома. Возможно, удастся предсказать роль некоторых белков, кодируемых в нуклеоморфе у криптофитовых водорослей.

Нами найдены протяженные консервативные участки, образующие структуры РНК, перед генами хлоропластов, и предположено их регуляторное значение, их тесная связь со сплайсингом (задержка начала трансляции до завершения сплайсинга). Также проведено исследование эволюции промоторов перед некоторыми генами. Например, показана быстрая эволюция промоторов перед геном ndhF. Задача –изучить статьи и распространить результаты как на другие гены пластид, так и на вновь секвенируемые виды. Студент может заняться какой-то частью этой задачи.

Seliverstov A.V., Lyubetsky V.A., Translation regulation of intron containing genes in chloroplasts, Journal of Bioinformatics and Computational Biology, 2006, p. 783-793.

Seliverstov A.V., Lysenko E.A., Lyubetsky V.A. Rapid evolution of promoters for plastome gene ndhF, Journal of Bioinformatics and Computational Biology, 2007 (in print).

Селиверстов А.В., Зверков О.А., Любецкий В.А. Регуляция трансляции в хлоропластах ряда генов, связанных со сплайсингом и редактированием, 2007, Биофизика (в печати). 

Задача 6. Массовый поиск классической аттенюаторной регуляции у бактерий

Аннотация,  литература для введения в проблематику  

Один из механизмов регуляции активности генов бактерий на уровне мРНК использует так называемые аттенюаторы. Аттенюатор – это часть мРНК, способная к образованию альтернативных внутримолекулярных спиралей и шпилек, причем реализация одного из вариантов прерывает транскрипцию прежде, чем образуется полноценная мРНК. Выбор одного из этих вариантов зависит от концентрации аминокислоты. Аттенюатор позволяет быстро регулировать уровень транскрипции в зависимости от концентрации аминокислоты. Массовый поиск классической аттенюаторной регуляции далеко не завершен, хотя в этом направлении проведена большая работа и, в частности, нами разработаны специальные компьютерные  программы для этого. Задача в том, чтобы провести широкий поиск потенциальных сайтов классической аттенюаторной регуляции или ее элементов по всей базе данных и также – анализ найденных сайтов, включая функциональную аннотацию соответствующих генов. Более широкая задача – массовый поиск генов лидерных пептидов и анализ соответствующих регуляций. Студент может заняться какой-то частью этих задач.

Vitreschak A.G., Lyubetskaya E.V., Shirshin M.A., Gelfand M.S., Lyubetsky V.A. Attenuation regulation of amino acid biosynthetic operons in proteobacteria: comparative genomics analysis. FEMS Microbiol Letters, 2004 May 15; 234(2), p. 357-70.