Bevezetés a rendszerbiológiába

Átírás

1 Bevezetés a rendszerbiológiába Papp Balázs MTA Szegedi Biológiai Központja Biokémiai Intézet

2 Alapprobléma Ma a biológiában rengeteg adat termelődik és áll rendelkezésre. Egyre jobban ismerjük a sejt alkotóit és azok kapcsolatait / kémiai reakcióit. DE: a sejt viselkedését még mindig nem tudjuk ezekből levezetni! Melyek a sejtek működését és evolúcióját befolyásoló általános elvek?

3 Még az egyszerű kólibaktérium is nagyon összetett rendszer Méret ~ 1 m 3 Fehérjemolekulák száma ~ Gének száma ~ 4500 Biokémiai reakciók száma ~ 5000 Fehérjekölcsönhatások száma legalább

4 Analógia: mintha egy rádió működését akarnánk megfejteni?

5 Mi a rendszerbiológia? A sejt vagy szervezet működését azok összetevői és a köztük lévő kölcsönhatások alapján írja le Genotípus fenotípus leképezésre törekszik (megértsük, hogyan jelentkezik a fenotípusban a mutációk hatása)

6 Mire jó a rendszerbiológia? A betegségeket okozó mutációk megértésere Gyógyszerek hatásának előrejelzésére Kórokozó mikrobák sebezhető pontjainak azonosítására (gyógyszertervezés) Biomérnökség: új, kedvező tulajdonságú mikrobák előállítása (pl. bioetanol termelésre)

7 A rendszerbiológia két dologra támaszkodik Adatgyűjtés: nagy léptékű (genomikai) mérésekből és hagyományos, kis léptékű munkákból Számítógépes modellezés: a sejt működését matematikailag írja le

8 A tudományos megismerés ciklusa Ismeretek, elméletek A megfigyelések alapján általánosítás és hipotézisek megfogalmazása hipotézisek tesztelése Megfigyelések

9 A rendszerbiológiai megközelítés lényege A modell jóslatainak tesztelése Kísérletes mérések alapján a sejtalkotók és kölcsönhatásaik meghatározása Modell matematikai vizsgálata Számítógépes modell felállítása

10 Valós rendszer Modell Alkatrészek listája Modell felépítése

11 Nagyléptékű kísérletes vizsgálatok Új biokémiai és genetikai vizsgálati módszereket fejlesztettek ki az elmúlt évben, amelyek olcsóbbak, gyorsabbak A mérések automatizálttá váltak Példa: az első teljes genomtérképet 1995-ben készítették el (egy baktériumra), de ma már több, mint 1500 faj genetikai térképe ismert

12 A genomszekvenálás költséghatékonysága exponenciálisan növekszik

13 Nagyléptékű kísérletes vizsgálatok Genomika: élőlények teljes genetikai állományának meghatározás Transzkriptomika: mrns szint mérése a genom összes génjére (pl. microarray módszerrel) microarray chip

14 Nagyléptékű kísérletes vizsgálatok Példa: mutációk fenotípusának mérése Az egysejtű élesztőgomba mindegyik génjét külön-külön kiütötték És a telepek növekedését megmérték

15 Omika adatok írják le a sejt alkotóit és kölcsönhatásaikat

16 A rendszerbiológia két dologra támaszkodik Adatgyűjtés: nagy léptékű (genomikai) mérésekből és hagyományos, kis léptékű munkákból Számítógépes modellezés: a sejt működését matematikailag írja le

17 Mi a modell? Modell = a valóság egy szeletének közelítése Törvények: Ábrák: Gráfok: Kémiai képletek:

18 Rendszerbiológiai modellek építése Példa: az anyagcserefolyamatok matematikai leírása Biokémiai és genetikai adatok Anyagcserefolyamatok leírása Matematikai leírás

19 Miért van szükség matematikai modellekre, miért nem jók pl. a folyamatábrák? Az ilyen ábrák nem tudják leírni az összes ismeretet és nem kvantitatívak.

20 Anyagcseretérkép...és nagy rendszereket nem tudnak kezelni

21 Mire jók a modellek? A tudásunk precíz leírására ( egy hibás modell is jobb, mintha nem lenne modell ) A kísérletes adatok értelmezésére A rendszer viselkedését lehet felderíteni (pl. melyek a kulcsfontosságú alkatrészek?) Jóslatokat tesznek jövőbeli kísérletek eredményére

22 Jóslás a mindennapokban: időjárás Légkör számítógépes szimulációjával jósolják az időjárást Rövid távú előrejelzés jóval pontosabb, mint >3 napon túl

23 Miért van szükség egyszerűsítésre a modellek megalkotásánál? Bonyolult jelenségek megértését azok a modellek segítik leginkább amelyek a lehető legkevesebb előfeltevéssel élnek, de már képesek jól leírni a valóság egy szeletét Egy modell amely ugyanolyan összetett mint a valóság felfoghatatlan és felesleges lenne

24 Mennyire jók a modellek? Példa: élesztőgomba anyagcseréje Az élesztő anyagcseremodellje 672 gént és 745 biokémiai reakciót tartalmaz Ez a modell a génkiütések hatását (életképes vagy életképtelen a sejt) 80 90% pontossággal jósolja.

25 A modellépítés ismétlődő folyamat

26 Emberi élettan és betegségek anyagcseremodellezése Az emberi szervezetben zajló anyagcserereakciók katalogizálása folyamatban van, de a többféle sejttípus nehézzé teszi a modellezést Új irányzatok: Daganatos sejtek anyagcseréjének magyarázata (miért glikolízissel termelnek ATP-t?) 1 Májsejtek élettani folyamatainak megértése 2 1 Shlomi et al. (2011) PloS Comp Biol 7: e Gille et al. (2010) Mol Sys Biol 6: 411

27 Nem csak sejtek, hanem szervek modellezésére is törekszik a rendszerbiológia Példa: szívműködés modellezése Szív érrendszerének keringési modellje

28 Jelenlegi automatizáció a rendszerbiológiában 1) Adatok termelése laboratóriumi robotokkal 2) Adatbányászati módszerekkel tudást kinyerni

29 A biokémiai folyamatok automatikus visszafejtése Mesterséges intelligencia módszerekkel a számítógép kikövetkezteti a sejtben zajló folyamatokat

30 A Robotkutató elve: 1) Hipotézisek automatikus felállítása 2) Kísérletek megtervezése a hipotézisek tesztelésére 3) Kísérlet elvégzése a laboratóriumi robot segítségével 4) Eredmények kiértékelése, az adatokkal össze nem egyeztethető hipotézisek cáfolása

31 A Robotkutató működése: A robotkutató ismeri a biokémiai reakciókat, de nem tudja mely gén melyik enzimet kódolja ( újra felfedeztetik a robottal) A hipotézisek az enzim gén hozzárendelést jelentik

32 Egyszerű logikai modellel megállapítja a robot, hogy adott mutáns mely anyagcsere köztitermék hozzáadása mellett életképes / letális Hipotézis tesztelése: mutánsok növekedésének mérése a robot által kiválasztott anyagcsere környezetekben

33 A Robotkutató működés közben:

34 A Robotkutató kísérlettervezése A különböző hipotézisek elvetésének eltérő a költsége. Ezt a robotkutató figyelembe veszi: olyan kísérletsorozatot próbál választani, amely a legkisebb költség mellett zárja ki a helyes hipotézis kivételével az összeset. Piros: robotkutató algoritmus Zöld: naiv algoritmus (mindig a legolcsóbb következő kísérletet választja) Kék: véletlenszerűen választjuk a következő kísérletet

35 Biológiai rendszerek szervező elveinek vizsgálata Miért toleránsak az élőlények a mutációkkal szemben? Mennyire optimálisan tervezettek a biokémiai hálózatok? Milyen szervező elveket figyelhetünk meg?

36 A génkiütés paradoxon Legtöbb egyedi génkiütésnek nincs szembetűnő fenotípusos hatása (laboratóriumi környezetben): Élőlény Gének száma Létfontosságú gének %-a Escherichia coli K12 ~ % Bacillus subtilis ~ % Staphylococcus aureus ~ % Saccharomyces cerevisiae ~ % Caenorhabditis elegans ~19,000 7%

37 Nélkülözhető gének magyarázata a kiütött génfunkciót más gének helyettesítik (kompenzáció) a nélkülözhető géneknek csak más környezetekben van funkciójuk (környezetspecifikusság)

38 Génkiütés kompenzációja anyagcserehálózatokban Redundáns génkópia A gén B gén Kerülőútvonal A gén B gén

39 Melyik magyarázat a fontosabb: környezetspecifikusság vagy kompenzáció?

40 Mit árul el a modell a nélkülözhető génekről? A modell alapján: a nélkülözhető gének jelentős része (>50%) nem aktív Az aktív reakciók többsége (70%) valójában létfontosságú A nélkülözhető gének nagy része más környezetben fontossá válik Papp et al. (2004) Nature 429: 661

41 Kísérletes megerősítés: a gének többsége hozzájárul a túléléshez legalább egy környezetben > 400 környezeti körülmény között mérték a sejtnövekedést A génkiütések 93% mutatott valamilyen növekedéscsökkenést! Hillenmeyer et al. (2008) Science 320: 362