Молекларна системска биологија I. Marko Ђорђевић, Биолошки факултет, Универзитет у Београду

Transcript

1 Молекларна системска биологија I Marko Ђорђевић, Биолошки факултет, Универзитет у Београду

2 Основни елементи: План предавања i. Сличности и разлике са системима на скалама већим од ћелије ii. Хемоглобин као модел систем кооперативност, алостерија iii. Модел регулације експресије гена, lac оперон Рестрикционо-модификациони систем као пример повратних спрега и кооперативности. Молекуларни осцилатори: oсцилатори у ћелијском циклусу, циркадијалне осцилације, пример синтетичког осцилатора (репресилатор)

3 Молекуларна системска биофизика Молекуларна биофизика: традиционално проучава структуру и функције биолошких макромолекула (ДНК,РНК,протеина) Молекуларна системска биофизика: како интеракције између молекула одређују особине система Молекуларна системска биофизика Молекуларна системска биологија?! Системска биологија

4 Програм ICSB 2013 (International ) 1. System modeling and simulation 2. Chemical biology 3. Synthetic biology 4. Protein and pathway engineering 5. Emerging technologies, tools & algorithms 6. Metabolomics 7. Stem and cancer cell systems biology 8. Data visualization & analysis 9. Protein interaction networks & assemblies 10. Genetic networks 11. Single cell analysis 12. Pathogen systems 13. Experimental design for systems biology 14. Genotype to phenotype modeling 15. Complex genetic traits 16. Systems biology of aging 17. Systems biology of signal transduction 18. Plant systems 19. systems approaches to genome-wide association studies 20. RNA regulatory systems 21. Developmental systems теме конференције

5 Централна догма молекуларне биологије Класична формулација: Информација тече За системску биологију су кључне повратне спреге.

6 Системи унутар ћелије опште особине Нелинеарни однос излазне према улазној величини линеарни однос генерално није добра апроксимација Инерција нема значајну улогу унутар ћелије уместо механичких интеракција осцилације су последица биохемијских реакција Алостерија, кооперативност интеракција

7 Однос улаза према излазу A и B су произвољни молекули, AB је њихов комплекс: Примери: A+ B AB A Транскрипциони фактор B ДНК AB Комплекс који активира или репресује транскрипцију А Лиганд (нпр. кисеоник код хемоглобина) B Рецептор (нпр. хемоглобин) АB Лиганд везан за рецептор

8 K D Однос улаза према излазу (наставак) [ A][ B] [ AB] = [ ] [ AB ] [ A ] = = [ ] + [ ] [ ] + = дисоциона константа " улаз" B " излаз" B AB A K D Нелинеарна веза Окупираност рецептора (Фракција укупног броја рецептора који су везани лигандом)

9 Инерција/Осцилације Механичке осцилације се заснивају на инерцији. Унутар ћелије (у цитоплазми) инерција игра малу улогу, због велике вискозности. Осцилације унутар ћелије се заснивају на биохемијским реакцијама и повратним спрегама.

10 Кооперативност и алостерија Хемоглобин као модел систем: Интеракција лиганда са рецептором Структура протеина Молекуларни модел болести Алостерија и кооперативност

11 Миоглобин везује само један атом кисеоника Хемоглобин везује четири атома кисеоника Хемоглобин има много стрмији прелаз из искљученог у укључено стање. Искључено стање мало кисеоника везаног за рецепторе Укључено стање скоро сви рецептори везани кисеоником Последица кооперативности у интеракцијама (везивању кисеоника). Кооперативност у интеракцијама је везана са алостеријом Везивање лиганда на једном месту на протеину, утиче на особине протеина на неком другом месту.

12 n молекула типа A се кооперативно (заједно) везују за молекул типа B na+ B nab K d n = n [ A] [ B] [ nab] Хилова функција " излаз" [ nab] [ B] [ nab] = = + 1+ ([ A] K ) d n ([ A] K ) d n Хилова константа Хилова функција - кооперативно везивање лиганада за рецептор

13 Регулација експресије гена Lac оперон: Значајна експресија само када је лактоза присутна а глукоза одсутана. Регулација се остварује путем интеракција протеина (транскрипционих фактора) са ДНК.

14 Зависност транскрипционе активности (излаза) од концентрације транскрипционих фактора (улаза) Скицирају се могуће конфигурације протеина (регулатора) и РНК полимеразе на ДНК. За сваку конфигурацију се напише одговарајућа статистичка тежина (види примере). Транскрипциона активност је пропорционална збиру статистичких тежина које одговарају активационим комплексима, подељена са збиром свих статистичких тежина (Shea-Ackers модел).

15 Активација гена ϕ= ϕ 0 ( ) ( ) NSexp ( β εpd) + ( P NNS)( ANNS)exp β( εpd + εad + εap) ( β ε ) ( β ε ) β( ε ε ε ) P N 1+ P N exp + R N exp + ( P N )( AN )exp + + NS pd NS rd NS NS pd ad ap

16 Репресија гена Транскрипциона активност (по Shea-Ackers моделу пропорционална окупираности промотера РНК полимеразом) ϕ= ϕ 0 NSexp( β εpd) ( β ε ) R N ( β ε ) P N 1+ P N exp + exp NS pd NS rd

17 Lac оперон За вежбу нађите израз за транскрипциону активност!

18 Сложене генске мреже Генска мрежа која Генска мрежа која контролише развој ембријона морског јежа.

19 Осцилаторни системи Многи ћелијски процеси се понављају у регуларним циклусима. Два основна примера су ћелијски циклус и циркадијални осцилатори (воде рачуна о променама између дана и ноћи). Биохемијски осцилатори су обично сложени, али се често могу свести на повратну спрегу између позетивног и негативног елементa.

20 Осцилатор у ћелијском циклусу Кључно је постојање позитивног регулатора (cyclin) и негативног регулатора (cyclin dependent kinase), као и повратне спреге између њих.

21 Циркадијански осцилатори Воде рачуна о протоку дана и ноћи екстреман пример фоторецепторских ћелија код паука.

22 Различити биолошки процеси сличан принцип Повратна спрега активатора и репресора доводи до осцилација.

23 Пример система: моделовање рестрикционо модификационог система код бактерија

24 Како да се унутар ћелије екпресују молекули који су токсични, а корисни? ПРИМЕР: Имунолошки системи код бактерија Рестрикционо модификациони систем CRISPR/Cas систем Нека општа разматрања: Треба да постоји противотров (нпр. метилација код R-M система). Треба да постоји брз прелаз из искљученог у укључено стање. Флуктуације отровног молекула морају да буду мале?

25 R-M систем је примитиван имунолошки систем ДНК ћелије домаћина је метилирана и зато не подлеже рестрикцији, али зато страна ДНК (нпр. вируса који напада бактерију) није метилирана, па бива уништена. R-M system R-M системи су често мобилни host genome bacteria R-M гени могу да прелазе из једне ћелије домаћина у другу, и на тај начин се шире кроз популацију бактерија.

26 Бактеријски рестрикционо-модификациони (R-M) систем типа II Ендонуклеаза (R) препознаје и сече специфичне ДНК секвенце Methylase (M) methylates the same DNA sequences that are cut by the endonuclease, and consequently protects them from cleaving. Операторска секвенца Контролни протеин (C) координира експресију R и M гена тако што се везује узводно од CR гена и регулише њихову експресију.

27 Regulation by the control protein The control protein exhibits very large cooperativity: Only dimmer can bind to DNA Only tetramer is bound to DNA in the absence of RNA polymerase CAhdI 0 Over the entire range of control protein concentrations two dimmers are simultaniously bound T Free DNA Large cooperativity in binding

28 Z RNAP = Квантитативни модел?? RNAP G RNAP Z =?? D RNAP G D GD RNAP RNAP G L G RNAP Z T =?? G D G T G D G L G R ϕ =?? transcription activity a, b and c are directly related with the biophysical properties of the switch.

29 Поређење са експериментом E. Bogdanova, M.D. et al., NAR 36,1429 (2008) wild type right mutant Модел се добро поклапа са мереном транскрипционом активношћу, у случају и wild-type и мутант промотерских секвенци. left mutant left-right mutant

30 Моделовање динамике система dc dt = γ C λc генерисање RC транскрипта ( ) C Transcription activity versus C protein concentration dc dt dc dt C R = α c βc синтеза C протеина C R C = α c βc синтеза R протеина R C транскрипти се транслирају мање ефикасно од R транскрипта.

31 Динамика успостављања равнотеже E. Bogdanova, M.D. et al., NAR 36,1429 (2008) Ендонуклеаза је синтетисана са значајним кашњењем у односу на ендонуклеазу, и у уском временском интервалу.

32 Закључци R-M систем Токсични молекул се експресује у уском временском интервалу, и са закашњењем у односу на противотров. Ово се остварује помоћу велике Ово се остварује помоћу велике кооперативности у везивању и модулације ефикасности транслације.