Modelové organismy Základní principy PA052: Úvod do systémové biologie David Šafránek 26.2.2019 Modelové organismy Základní principy Obsah Modelové organismy Základní principy Modelové organismy Základní principy Obsah Modelové organismy Základní principy Modelové organismy Základní principy Escherichia Coli • často studovaný prokaryotický organismus • objeven Theodorem Escherichem roku 1885 • Escherichia Coli (E. coli) • bakterie žijící v trávicím ústrojí savců • většina kmenů neškodných • součástí střevní flóry • zabraňuje usazení patologických bakterií • produkuje vitamin K2 • některé kmeny mohou způsobit otravu • O157:H7, O121 a O104:H21 • produkují toxin • mají dobré rezistentní schopnosti vůči lékům • kompletní genom sekvenován 1997 (4288 genů) http://www.genome.wisc.edu/ Modelové organismy Základní principy E. coli jako modelový organismus • kultivované kmeny (např. E. coli K12) • dobře adaptovatelné pro laboratorní prostředí • postrádají schopnost uchycení v zažívacím traktu • detailní znalosti dostupné • možnost experimentální manipulace v laboratořích • experimenty s E. coli vedly k založení biotechnolgie • technologie rekombinantní DNA (Lobban a Kaiser 1972) • výroba rekombinantních proteinů pomocí E.coli (např. insulin) • kompetentní (“plasmid friendly”) bakterie lze v ČR pořídit např. na www.generi-biotech.com • systémové studie E. coli zobecnitelné na složitější organismy Modelové organismy Základní principy E. coli – zajímavá fakta • délka (lineárního) řetězce DNA je cca 1 mm • velikost bakterie je cca 1 µm • rozdíl 1000 × • komprese v prostorovém uspořádání DNA • hierarchická organizace genetického materiálu Modelové organismy Základní principy Shluk kolonie E. coli Modelové organismy Základní principy Kvantitativní parametry E.coli Experimentálně zjištěný parametr Hodnota v E.Coli Velikost buňky 1µm3 Počet molekul proteinů v buňce 4 · 106 Velikost molekuly proteinu 5nm Koncentrace jednoho proteinu v buňce 1nM Podíl proteinů v obsahu buňky 18% Doba difúze proteinu v buňce 0, 1s Doba difúze ostatních molekul 1msec Počet genů v buňce 4500 Modelové organismy Základní principy Časové dimenze v životě E.coli Experimentálně zjištěný parametr E.Coli Vazba molekuly signálu na transkripční faktor vedoucí ke změně aktivity faktoru 1msec Vazby aktivního faktoru na operon DNA 1sec Transkripce 1min Translace 2min Životnost mRNA 2-5min Trvání jedné generace buňky min. 30min Modelové organismy Základní principy Životní cyklus E. coli (mitotické dělení) Modelové organismy Základní principy Životní cyklus E. coli – fáze růstu Modelové organismy Základní principy E. coli biofilm Modelové organismy Základní principy E. coli – pohybové ústrojí (bičík) Modelové organismy Základní principy Kvasinka pivní – Saccharomyces cerevisiae • jednoduchý eukaryotický organismus (jedna buňka) • nepohlavní mitotické dělení (pučení), v horších podmínkách pohlavní dělení (sporulace) • používaný v potravinovém průmyslu (proces kvašení): • přeměna glukózy na ethanol + CO2 + glycerol Modelové organismy Základní principy Kvasinka pivní – Saccharomyces cerevisiae • velikost buňky 3 − 4µm3 • pravděpodovně první domestikovaný organismus (starověký Egypt) • proces fermentace kvasinkami prokázán Louisem Pasteurem 1857 • produkce lihu rozkladem jednoduchých cukrů • buňky nepotřebují k růstu sluneční světlo – zisk energie z organických sloučenin • anaerobické i aerobické dýchání (metabolický proces produkce ATP z nutrientů) • kompletní genom sekvenován 1996: http://www.yeastgenome.org/ Modelové organismy Základní principy Kvasinka pivní – Saccharomyces cerevisiae • jednoduchá manipulace v laboratorním prostředí • nejjednodušší a dostupný systém eukaryotické buňky • rychlá kultivace (za 2 hodiny lze populaci zdvojnásobit) • množení dělením usnadňuje rekombinaci http://syntheticyeast.org Modelové organismy Základní principy Caenorhabditis elegans • háďátko obecné • volně žijící půdní helmint z kmene hlístic • první mnohobuněčný eukaryotický organismus s plně osekvenovaným genomem (1998) http://www.sanger.ac.uk/Projects/C_elegans/ • vhodný k modelovému výzkumu • buněčná diferenciace • hermafroditní rozmnožování • jednoduchá nervová soustava Modelové organismy Základní principy Caenorhabditis elegans Modelové organismy Základní principy Caenorhabditis elegans • genom obsahuje 97 miliónů nukleotidů • 18841 genů kódujících různé proteiny • geny mají v DNA C. elegans singulární výskyty • většina genů podobných lidským • organismus složen z necelého tisíce buněk • třetina buněk tvoří nervový systém http://www.wormbook.org Modelové organismy Základní principy Obsah Modelové organismy Základní principy Modelové organismy Základní principy Centrální dogma Modelové organismy Základní principy Hudba života – Genome CD Denis Noble: Music of Life za specifickych podminek interpretace sireni specifickym eterem... projev funkce music code specifickym prehravacem... Modelové organismy Základní principy Hudba života – Genome CD Denis Noble: Music of Life za specifickych podminek interpretace sireni specifickym eterem... projev funkce music code system dynamicky zivy code gene okoli reakcni prostredi specifickym prehravacem... Modelové organismy Základní principy Hudba života – Genome CD Denis Noble: Music of Life za specifickych podminek interpretace sireni specifickym eterem... projev funkce music code system dynamicky zivy code gene okoli reakcni prostredi specifickym prehravacem... metabolome proteome interactome Modelové organismy Základní principy Hudba života – Komplexní systém • komplexní dynamický jev v čase a prostoru • např. kvadrofonní zvukový záznam z deštného pralesa... • zvuky se vzájemně ovlivňují...emergují v komplexní souzvuky... • pohled 1 (lékař): jak odstranit nezdravé disharmonie? • pohled 2 (biotechnolog): jak upřednostnit určité souzvuky před jinými? • předpovídat a pochopit emergentní vlastnosti • identifikovat a pochopit jednotlivé interakce • identifikovat a pochopit vzájemnou součinnost interakcí Modelové organismy Základní principy Systémová biologie • nový vědecký směr v biologii s podporou neživých věd • paradigma: komplexní pohled (opak redukcionismu) • organismus chápán jako komplexní systém (biologický systém) • předmětem studia jsou interakce mezi jeho komponentami • kořeny v živých i neživých vědách • biochemie a molekulární biologie (kinetika enzymů) • matematická simulace a teorie řízení • intenzívní výzkum od roku 2000 • vyžaduje úzkou kooperaci: biolog – matematik – informatik Modelové organismy Základní principy Úrovně pohledu na biologický systém • Kitano H. “Looking beyond the details: a rise in system-oriented approaches in genetics and molecular biology”. Curr Genet. 2002 1. zachycení struktury systému • interakce látek v buňce definované chemickými reakcemi • obtížné získat kvantitativní informace (parametry reakcí) Modelové organismy Základní principy Úrovně pohledu na biologický systém • Kitano H. “Looking beyond the details: a rise in system-oriented approaches in genetics and molecular biology”. Curr Genet. 2002 1. zachycení struktury systému • interakce látek v buňce definované chemickými reakcemi • obtížné získat kvantitativní informace (parametry reakcí) 2. analýza chování systému • intra vs. intercelulární pohled • záleží na míře kvantitativních znalostí • různé metody – experimentální a výpočetní (simulace) • chování v extrémních podmínkách (hladovění, tlak,. . . ) Modelové organismy Základní principy Úrovně pohledu na biologický systém • Kitano H. “Looking beyond the details: a rise in system-oriented approaches in genetics and molecular biology”. Curr Genet. 2002 1. zachycení struktury systému • interakce látek v buňce definované chemickými reakcemi • obtížné získat kvantitativní informace (parametry reakcí) 2. analýza chování systému • intra vs. intercelulární pohled • záleží na míře kvantitativních znalostí • různé metody – experimentální a výpočetní (simulace) • chování v extrémních podmínkách (hladovění, tlak,. . . ) 3. řízení systému • vývoj léčiv, genetické modifikace Modelové organismy Základní principy Úrovně pohledu na biologický systém • Kitano H. “Looking beyond the details: a rise in system-oriented approaches in genetics and molecular biology”. Curr Genet. 2002 1. zachycení struktury systému • interakce látek v buňce definované chemickými reakcemi • obtížné získat kvantitativní informace (parametry reakcí) 2. analýza chování systému • intra vs. intercelulární pohled • záleží na míře kvantitativních znalostí • různé metody – experimentální a výpočetní (simulace) • chování v extrémních podmínkách (hladovění, tlak,. . . ) 3. řízení systému • vývoj léčiv, genetické modifikace 4. konstrukce biologického systému Modelové organismy Základní principy Průběh výzkumu v systémové biologii in silico model experimenty in vivo/in vitro ziskavani znalosti modelovani simulace analyza vyvoj technologie experimentalni analyza overeni/zamitnuti biologicka data hypotezy Modelové organismy Základní principy Průběh výzkumu v systémové biologii in silico model experimenty in vivo/in vitro ziskavani znalosti modelovani simulace analyza vyvoj technologie experimentalni analyza overeni/zamitnuti biologicka data hypotezy Modelové organismy Základní principy Biochemické procesy v buňce • molekulární komponenty – proteiny, DNA, RNA,. . . • interakce na různých úrovních (transkripce, metabolismus,. . . ) • příjem signálů na membráně Modelové organismy Základní principy Funkční vsrtvy buňky Modelové organismy Základní principy Funkční vrstvy buňky vrstva metabolismu • rozsáhlý soubor katalytických (enzymových) reakcí • příjem a zpracování energie v buňce • rozklad a syntéza látek transdukce signálů • kaskády reakcí zpravovávající externí/interní signál • receptory externích signálů na membráně interakce proteinů • tvorba proteinových komplexů • transkripční faktory a enzymy metabolismu transkripční regulace • řízení proteosyntézy Modelové organismy Základní principy Genotyp −→ Fenotyp Hierarchie interakcí SITE INTERAKCI DNA PROTEINY, PROTEINOVE PRODUKTY MODULY INTERAKCI (DRAHY) Modelové organismy Základní principy Koncept hierarchie srovnej bottom-up vs. top-down pohled na systém Modelové organismy Základní principy Od komponent k hypotézám Genomika Proteomika Metabolomika Rekonstrukce sítì biochemických reakcí DynamikaStruktura Vymezení Citlivost Ruch infinitní prostor hypotéz a interpretací Modelové organismy Základní principy Komponenty vs. systémy • biologické komponenty mají konečnou životnost • výměna molekul v buňce (hodiny až dny) • obnova kožních buněk (jednotky až desítky dní) • obnova buněk v ledvinách (rok) • . . . • na organismus nahlížíme nezávisle na životnosti komponent • interakce mezi komponentami umožňují tento pohled Modelové organismy Základní principy Původ interakcí • v buňce determinovány chemicky: reakce a asociační vztahy mezi komponentami • v mezibuněčném kontextu determinovány složitými vztahy vyššího řádu • prototypové interakce na úrovni buňky jsou bilineární: • kovalentní vazby (makromolekuly, metabolické reakce) • nekovalentní vazby (např. vodíková vazba mezi proteiny, struktura proteinů, DNA, vazby DNA:protein, . . . ) • katalýza (interakce determinovaná enzymaticky, tzv. “absolutně”) • termodynamické podmínky (“relativní” původ) Modelové organismy Základní principy Determinace interakce enzymaticky Modelové organismy Základní principy Vliv prostředí na projev interakcí • projev interakcí je ovlivněn charakterem prostředí v buňce • viskozita • osmotický tlak • elektrický potenciál • struktura média (srovnej membrána vs. cytoplazma) • . . . • významná role 3D prostoru • kombinatorická exploze funkčních stavů interakčních sítí Modelové organismy Základní principy Koncept vymezení podprostoru funkčních stavů Modelové organismy Základní principy Biologické sítě a dráhy • biochemická interakce molekul popsaná grafem • uzly • molekuly/komplexy biochemických látek • biochemické reakce • hrany • regulace (aktivace, represe, katalýza) • příslušnost k reakci (produkt, zdroj) • dráhy — zaměřené na určitá specifika (látky, reakce) • typicky signální dráhy • sítě — komplexní interakce • různé úrovně abstrakce, různé notace, např. Kohn’s diagrams http://www.nature.com/msb/journal/v2/n1/full/ msb4100044.html Modelové organismy Základní principy Příklad komponenty biologické sítě Modelové organismy Základní principy Biologické sítě a dráhy • komplexy vzájemně interagujících chemických reakcí • klíčem ke studiu fyziologie organismu • představují základní informaci pro tvorbu in silico modelu • v průběhu evoluce může docházet k přidávání/ubírání hran Modelové organismy Základní principy Biologické sítě a dráhy • neformální notace • vyvíjejí se standardy — SBGN (podporuje např. CellDesigner) Modelové organismy Základní principy Metabolická síť – ad hoc diagram Modelové organismy Základní principy Signální síť – SBGN Modelové organismy Základní principy Signální síť – Kohnova mapa Modelové organismy Základní principy Literatura Kitano, H. Looking beyond the details: a rise in system-oriented approaches in genetics and molecular biology. Curr Genet., 2002. Kitano, H. Foundations of Systems Biology. MIT Press, 2001. Palsson, B. Systems Biology: Properties of Reconstructed Networks. Cambridge University Press, 2006. Noble, D. The Music of Life: Biology Beyond the Genome Oxford University Press, 2006.