МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ГЕНЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ

Координаторы: д-р биол. наук Колчанов Н. А., член-корр. РАН Гончаров С. С.

Исполнители: ИЦиГ, ИМ, ИВМиМГ, ИВТ, ИТФ, МТЦ, ИТПМ, НИБХ СО РАН

Разработана, расширена и продолжает пополняться Интернет-доступная база данных TRRD (Transcription Regulatory Regions Database), предназначенная для накопления экспериментальной информации по структурно-функциональной организации регуляторных областей эукариотических генов (http://www.bionet.nsc.ru/trrd/). TRRD содержит самую крупную в мире коллекцию аннотированных регуляторных единиц генов эукариот (около 2000), а также сайтов связывания транскрипционных факторов (6431).

Разработаны методы построения статистических, марковских или комбинаторных моделей и грамматик порождения геномной ДНК. Создан пакет для статистического анализа генетических текстов на основе сложностного разложения и комбинаторных моделей порождения текста. Разработан метод визуализации генетических символьных последовательностей на основе графов де Брёйна. На основе методов Data Mining и Knowledge Discovery разработана компьютерная система “Gene Discovery” для автоматической продукции знаний и выявления кодов, посредством которых в геномной ДНК записана информация о локализации и специфической активности регуляторных районов, контролирующих транскрипцию генов.

Изучены распределения энергии комплементарных взаимодействий между сайтами сплайсинга и малыми ядерными РНК. С использованием комплекса методов расчета низкоэнергетических вторичных структур РНК исследована вторичная структура 5¢ - и 3¢ -нетранслируемых районов мРНК. Исследовано влияние контекстных и структурных характеристик нетранслируемых и кодирующих районов мРНК на эффективность трансляции. Исследована дифференциация одноклеточных организмов по критичным для эффективности экспрессии генов стадиям элонгации, изучен вклад частот использования кодонов.

Исследована структурно-функциональная организация белков, особенности структурно-функциональной организации и эволюции ДНК-связывающих доменов транскрипционных факторов. Разработана компьютерная программа для оптимального совмещения пространственных структур белков. Разработана база данных пространственных структур функциональных сайтов белков PDBSite. База данных содержит информацию о функции сайтов, координаты атомов и структурные характеристики сайтов. В базе представлен широкий спектр функциональных типов сайтов, из которых можно выделить три основных типа: сайты связывания лигандов, сайты активных центров ферментов и сайты биохимической модификации. Разработана программа распознавания функциональных сайтов в пространственных структурах белков PDBSiteScan.

Распознавание основано на базе структурного выравнивания сайтов из PDBSite и анализируемого белка с учетом особенностей структурной организации функциональных сайтов. Анализ ошибок распознавания сайтов с известной локализацией в пространственной структуре белков показал высокую точность метода PDBSiteScan (рис. 1).

Рис. 1. Пример распознавания каталитического центра гидролазы с использованием PDBSiteScan. Fig. 1. An example of hydrolase's catalytic centre recognition by PDBSiteScan.

Разработана методика распознавания наличия, длины и места локализации сайтов разрезания белков. Исследованы реакции фотовозбужденных красителей с аминокислотами и белками в средах с ограниченной подвижностью. Проведено исследование кинетики олигопептидов на атомном уровне разрешения. Разработан новый метод систематизации информации, получаемой при компьютерном моделировании методами молекулярной динамики и Монте-Карло.

В области создания баз данных по структурно-функциональной организации генных сетей продолжалось совершенствование формата описания генных сетей в базе GeneNet с учетом их иерархической организации и пространственной распределенности процессов по различным компартментам организма. Создана SRS-версия базы данных GeneNet (http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/systems/genenet/SRS.html), позволяющая генерировать запросы к базе и проводить контекстный поиск компонентов генных сетей. Развивается теория гипотетических генных сетей, что открывает возможность для синтеза генных сетей с любым наперед заданным количеством стационарных и/или осциллирующих режимов, а также для реализации многих других, возможно более сложных, систем с режимами функционирования, наиболее отвечающими определенным практическим задачам (рис. 2).

Рис. 2. Гипотетическая генная сеть, суммирующая бинарные восьмиразрядные числа. Fig. 2. The hypothetical gene network summarizing two binary 8-bits numbers.

Интегрированная система GeneExpress-2

Создана новая версия GeneExpress-2.1 интегрированной Интернет-доступной электронной библиотеки по пространственным структурам и функциям ДНК, РНК, белков и генных сетей (http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/gnw/). Разработан и интегрирован в систему GeneExpress-2.1 ряд новых средств автоматической визуализации данных и знаний по структурно-функциональной организации ДНК, РНК, белков генных сетей. Принципиальной методической особенностью, впервые примененной при интеграции ресурсов в GeneExpress-2.1, является учет естественной иерархии уровней молекулярно-генетических систем организмов (уровень ДНК, уровень РНК, уровень белков и уровень генных сетей).

Список разработанных интернет-ресурсов содержит 29 ссылок. Полный список публикаций по проекту составляет 36 статей в рецензируемых журналах.

1. Levitsky V. G., Podkolodnaya O. A., Kolchanov N. A., Podkolodny N. L. (2001) Nucleosome formation potential of exons, introns, and Alu repeats// Bioinformatics. 17(1): 1062—1064.
2. Levitsky V. G., Podkolodnaya O. A., Kolchanov N. A., Podkolodny N. L. (2001) Nucleosome formation potential of eukaryotic DNA: calculation and promoters analysis // Bioinformatics. 17(1): 988—1010.
3. Ananko E. A., Podkolodny N. L., Stepanenko I. L., Ignatieva E. V., Podkolodnaya O. A., Kolchanov N. A. (2002) GeneNet: a database on structure and functional organization of gene networks// Nucl. Acids Res. 30(1): 398—401.
4. Kolchanov N. A., Ignatieva E. V., Ananko E. A., Podkolodnaya O. A., Stepanenko I. L., Merkulova T. I., Pozdnyakov M. A., Podkolodny N. L., Naumochkin A. N., Romashchenko A. G. (2002) Transcription Regulatory Regions Database (TRRD): its status in 2002// Nucl. Acid Research, 30(1): 312—317.
5. Morozova O. B., Yurkovskaya A. V., Tsentalovich Yu. P., Forbes M. D. E., Sagdeev R. Z. (2002) Time-resolved CIDNP study of intramolecular charge transfer in the dopeptide tryptophan-tyrosine// J. Phys. Chem. B., 106, 1455—1460.

Оглавление

Далее