Клеточные белки и их сети играют важную роль в нормальном функционировании организма. Биологи сравнивают каждую такую сеть с оркестром, а дирижером (с относительно недавнего времени) считают микроРНК — множество малых некодирующих молекул РНК, которые регулируют почти все процессы и химические реакции в организме человека. Если «музыканты» сбиваются с ритма или вообще перестают играть, то это становится причиной самых серьезных заболеваний. Для решения проблемы важно скорее узнать, кто из «музыкантов» фальшивит и каковы его функции, потому что по этим признакам еще на ранней стадии можно обнаружить болезнь и начать лечение. Замечено, что при определенном заболевании «барахлят» одни и те же белки и микроРНК: медики считают их маркерами болезни. Среди всех биомаркеров особое место занимают указатели на разные виды онкологии.

В лаборатории математического моделирования ИВТ СО РАН уже несколько лет развивается новое научное направление, связанное с изучением функционирования биомаркеров. Значимую поддержку этой работе оказывают сотрудники ФГБНУ Институт молекулярной патологии и патоморфологии СО РАН. Важнейшую роль в проведении исследований играет молодежь: группа талантливых активных студентов старших курсов механико-математического факультета НГУ

— Сначала в центре внимания исследователей оказался противоопухолевый белок p53, который изучается практически во всех ведущих медико-биологических лабораториях мира и даже принес своим первооткрывателям Нобелевскую премию, — рассказывает ведущий научный сотрудник ИВТ СО РАН доктор физико-математических наук Ольга Фалалеевна Воропаева. — Сам p53, а еще некоторые белки-регуляторы p53 и связанные с ними микроРНК — важные онкомаркеры. В лабораторных условиях изучать микроРНК намного проще и дешевле, поэтому заинтересованность медиков в подобных исследованиях сейчас крайне высока. Математическое моделирование также начинает играть важную роль в этом процессе, переводя наблюдаемые факты, связи и закономерности на более формальный язык уравнений. Возможно, такой способ более пригоден для строгого анализа, необходимого в клинической практике.

В отличие от большинства предшественников, исследователи из ИВТ СО РАН решили не воспроизводить связи огромной сети белков, связанных с p53. Ученые в количественных данных — с помощью уравнений и алгоритмов — описывают изменение уровней p53 и микроРНК в норме и в условиях стресса. Лабораторных исследований данного вопроса проводится много, а вот нужных количественных данных, наоборот, мало. Поэтому математикам необходимо получить как можно больше точной информации. 

Так что каждая модель требует подтверждения ее адекватности на основании лабораторных или клинических экспериментов. На сегодня уже собрана необходимая для моделирования, хотя и далеко не полная коллекция результатов измерений. Математики установили, что разработанные модели хорошо подходят для описания поведения p53 не только при раке, когда функция p53 утрачена частично или полностью, но и для другой группы заболеваний, возникающих при чрезмерной активности p53. 

 

Структура р53, связанного с ДНК 

 

— Р53 является одним из регуляторов важнейшей программы гибели клеток, которая называется апоптоз, — поясняет Ольга Воропаева.— В норме p53 и подобные ему белки подают сигнал на самоуничтожение клеткам с дефектами ДНК, состарившимся или попросту ненужным. Например, у эмбриона мыши конечности изначально имеют форму ласт, однако со временем рудиментарные скопления клеток получают сигнал о смерти. В результате у грызуна уже через день появляются пальцы. 

Биологи утверждают, что ежедневно в здоровом организме рождается несколько десятков миллиардов новых клеток и такое же их количество незаметно для нас погибает — в основном за счет апоптоза. Именно поэтому сбой в работе p53 таит серьезные угрозы для жизни: раковые клетки активно размножаются, не получая сигнала на самоуничтожение, причем в 40—70 % случаев — из-за снижения функции p53. При болезни Альцгеймера, инфарктах миокарда и ишемических инсультах, наоборот, часто наблюдается гиперфункция p53. Тогда сигнал к апоптозу получают здоровые клетки сердца и мозга. 

Ученые ИВТ СО РАН занялись построением математических моделей заболеваний, которые сопровождаются нарушениями в процессах гибели клеток. Особенность подобных исследований состоит в том, что всякий раз необходимо учитывать ключевые механизмы заболевания из клинической практики, а не только механизм p53-зависимого апоптоза. Так, инфаркты миокарда и головного мозга ассоциируются с некрозом клеток этих органов, хотя на периферии зоны некротического повреждения преобладают клетки, погибшие в результате самоуничтожения. 

При такой работе важно создать надежную и экономичную вычислительную технологию, чтобы конструировать новые уравнения для модели — на основе лабораторных измерений маркеров заболевания. В случае воспалительной реакции факторы болезни измеряются в эксперименте с лабораторными животными или даже в клинических условиях. Однако для точности нужны полные измерения у одной и той же группы испытуемых — в норме и на разных стадиях заболевания. Помимо факторов воспаления нужно глубоко изучать и другие важные маркеры болезни. Особенно остро этот вопрос встает при построении моделей ишемического инсульта или болезни Альцгеймера, указатели на которые пока не могут быть напрямую изучены у человека при его жизни. 

— При построении новых моделей нужно использовать мировой опыт и известные подходы, — заключает исследовательница. — Проблема в том, что уже имеющиеся модели обычно не предполагают детальной согласованности с экспериментальными данными. Отчасти поэтому в самих уравнениях может быть заложено множество погрешностей. Предлагаемые биологические описания заболеваний служат хорошей основой для создания более точных математических моделей. Поэтому после устранения всех погрешностей нужно уточнять биологические факты и факторы, важные в рамках принятой математической модели. 

Модели постоянно расширяются за счет новых уравнений, полученных по разработанной вычислительной технологии. Это с самого начала обеспечивает согласованность с экспериментальной динамикой изучаемого процесса в норме и в патологии. При этом открываются возможности для реализации различных сценариев возникновения и течения заболеваний. Такова принятая в ИВТ СО РАН стратегия моделирования, которая из традиционной для института области аэро- и гидродинамики успешно переносится на новые научные направления и задачи. 

«Наука в Сибири»

Фото из открытых источников

Похожие новости

  • 27/10/2015

    В Академпарке открывается первая в России конференция по биомедицинской инженерии и вычислительным технологиям в биологии и медицине

    ​28 октября в Технопарке Новосибирского Академгородка стартует SIBIRCON/SibMedInfo - 2015 - крупнейшая конференция по биомедицинской инженерии, проводимая в России под эгидой международной ассоциации специалистов в области техники Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
    1979
  • 10/10/2018

    Генетики расшифруют молекулярные основы болезней сердца

    ​Ученые из новосибирского Академгородка и Эдинбурга (Великобритания) планируют найти новые биомаркеры и мишени для лекарств при сердечно-сосудистых заболеваниях, а также разработать методы прогнозирования риска болезни.
    256
  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    521
  • 06/09/2016

    Бельгийский ученый выступит в Новосибирске с лекцией о вкладе геномных технологий в селекцию животных

    ​Приглашаем на лекцию ученого мирового уровня, профессора генетики и геномики факультета ветеринарной медицины университета г. Льеж, Бельгия, Мишеля Жоржа The impact of genomics in animal breeding (Вклад геномных технологий в селекцию животных).
    1547
  • 19/08/2016

    Из студентов НГУ - в преподаватели биоинформатики

    ​Школа довузовской подготовки факультета информационных технологий НГУ в новом учебном году расширяет работу со школьниками — появляются занятия со старшеклассниками в рамках создаваемой Научно-технической проектной лаборатории НГУ «Инжевика».
    1947
  • 13/07/2018

    Новосибирские ученые предложили создать Национальный центр генетических технологий

    ​ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» выступил с инициативой создания Национального центра генетических технологий. Как рассказал избранный директор ФИЦ ИЦиГ СО РАН член-корреспондент РАН Алексей Владимирович Кочетов, проект ЦГТ нацелен на решение сразу нескольких стратегических задач: «Прежде всего, мы хотим на одной площадке получить полный набор современных исследовательских технологий, обеспечивающий возможность фундаментального изучения генетических систем и процессов человека, животных, растений и микроорганизмов на базовых иерархических уровнях организации живых систем: молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом, организменном, популяционном, экосистемном».
    608
  • 09/07/2018

    Академику Шокину Юрию Ивановичу - 75 лет!

    ​​​​Юрий Иванович Шокин родился 9 июля 1943 года в г. Канск Красноярского края. В 1966 году окончил механико-математический факультет Новосибирского государственного университета. Далее в Вычислительном центре (ВЦ) СО АН СССР (г.
    363
  • 03/11/2017

    Владимир Зельман: горжусь тем, что судьба связала меня с Новосибирском

    ​Про таких, как врач Владимир Зельман, говорят "живая легенда". Действительно - очень живая. Каждое слово - с чувством, тут же - россыпь шуток, анекдотов, комплиментов, и это - после ночного перелета и целого дня встреч и переговоров.
    744
  • 04/03/2016

    Ольга Лаврик: политический кризис - не помеха для взаимодействия ученых

    ​За большой вклад в укрепление научного сотрудничества между Россией и Францией  заведующей лабораторией Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН члену-корреспонденту РАН, профессору Ольге Ивановне Лаврик  было присвоено звание кавалера ордена Академических пальм.
    2023
  • 10/08/2018

    Ученые установили, что боли в спине связаны с генами и депрессией

    Коллектив ученых из России (Институт цитологии и генетики СО РАН и Новосибирский государственный университет), Великобритании, США и Нидерландов провел масштабное полногеномное исследование ассоциаций болей в пояснице и различных других состояний.
    357