Архив публикаций

Тезисы

XIV-ая конференция

Компьютерное моделирование регуляции экспрессии генов

Головкин М. В., Нечипуренко Ю. Д., Гурский Г. В.

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН 119991, г. Москва, ул. Вавилова, д. 32. Тел.: (495) 135-10-92 Факс: (495) 135-14-05 e-mail: misha811@yandex.ru

Различия в поведении клеток одного вида, даже если эти клетки содержат идентичную генетическую информацию, бывают весьма велики. В основе этих различий может лежать статистическая природа биохимических реакций. Взаимодействие биологических макромолекул, как и всякая бимолекулярная реакция, имеет случайную составляющую, проявляющуюся как отклонение наблюдаемой в каждой клетке концентрации от среднего значения. Эта составляющаяся наиболее существенна в тех случаях, когда число выполняющих определенную функцию молекул измеряется сотнями или даже десятками (транскрипционные факторы в бактерии).

В основе нашего подхода к моделированию регуляции генетической экспрессии лежат принципы статистической термодинамики. Связывание факторов транскрипции на операторе при таком подходе описывается при помощи модели адсорбции [1].

За последние годы разработаны экспериментальные методы, позволяющие определять in vivo одновременно концентрации как факторов транскрипции данного гена, так и белка, производство которого определяется этим геном. Таким образом, появилась возможность измерить зависимость скорости производства белка от концентрации фактора транскрипции — так называемую функцию регуляции гена (GRF). Экспериментальные данные такого рода могут служить «пробным камнем» для нашей модели.

В качестве примера регуляции экспрессии мы рассмотрели связывание белка-репрессора на операторе бактериофага λ в Escherichia coli. Физико-химические параметры этой системы достаточно хорошо изучены и константы связывания репрессора на отдельных сайтах оператора известны благодаря количественным измерениям, проведенным in vitro. Это позволяет не только построить количественную модель данной системы, но и предсказать поведение системы при изменении концентрации репрессора в растворе.

Расчеты, проведенные на основании полученных нами уравнений, описывающих модельную систему, приводят к компьютерному алгоритму, реализованному с помощью среды Mathcad. Результаты моделирования показали хорошее соответствие с данными экспериментов по измерению функции регуляции гена в E. coli [2].

Литература.

1. Нечипуренко Ю.Д., Вольф А.М., Гурский Г.В. Статистические флуктуации в процессах регуляции генов: рассмотрение с точки зрения статистической механики. // Биофизика. 2003. т. 48. с. 986-997.

2. Rosenfeld M., Young J.W., Alon U., Swain P.S., Elowitz M.B. Gene Regulation at the Single-Cell Level. // Science. 2005 v.25 p.1962-1965.