Лаборатория биоинформатики | Институт молекулярной генетики РАН

Список сотрудников

Александров А.А., зав. лабораторией, д.ф.-м.н., проф.;
Дроздов-Тихомиров Люсьен Николаевич, кфмн, снс.;
Шепелев Валерий Анатольевич, кфмн, нс.;
Федосеева Вия Борисовна, кфмн, нс.;
Чарикова Елена Владимировна, кбн, нс.

   
   

Основные направления исследований

 
Исследование эволюции центромер приматов путем анализа последовательностей альфоидных повторов.
 
Математическое моделирование метаболизма целой клетки.
 
Компьютерные исследования свойств хроматина и взаимодействия хромосом.
 

   
   

Основные достижения

 
Исследование эволюции центромер приматов путем анализа последовательностей альфоидных повторов.
 
Впервые предложена модель эволюции центромер на основе анализа последовательностей альфоидных повторов центромер и прицентромерных областей человека и приматов.
Согласно этой модели, среди одинаковых альфоидных повторов из которых состоит центромера, в какой-то момент возникает новый повтор, более благоприятный для функционирования центромеры. Он начинает мультиплицироваться и вытесняет «старые» повторы на переферию.
Функции центромеры выполняют таперь «новые» повторы. В процессе эволюции «Старые» повторы образуют по бокам от центромеры слои, подобные слоям на спиле древа. Каждый слой соответствует бывшей центромере общего предка.
 
Проведен детальный анализ всех известных геномов приматов и человека и получена полная картина эволюции их центромер. Установлено, что периодически (раз в несколько миллионов лет), в процессе эволюции приматов, происходила смена повторов, образующих центромеру. Каждая смена центромерного повтора означает генетическую изоляцию и является потенциальным актом видообразования. Детальный сравнительный анализ структуры центромеров человека и приматов открывает путь исследования происхождения человека и природы «центромерного» видообразования.
 
Математическое моделирование метаболизма целой клетки. 
 
(1997-2005 гг) В работах, проводящихся под руководством старшего научного сотрудника Л.Н. Дроздова-Тихомирова достигнут значительный прогресс в понимании физических основ процесса высокоспецифического белок-белкового взаимодействия и молекулярных механизмов регуляции активности аллостерических ферментов.
 
Работа по математическому моделированию регуляции активности аллостерических ферментов проводилась на основе гипотезы о составном характере активных центров аллостерических ферментов. Согласно выдвинутой Л.Н.Дроздовым-Тихомировым гипотезе активный центр аллостерического фермента является составным и образуется из фрагментов субъединиц, при соединении последних в олигомерный комплекс (димер, тетрамер, гексамер и т.д.). Молекула любого аллостерического фермента, согласно гипотезе, должна быть составлена как минимум из двух субъединиц, способных соединяться в комплекс как минимум двумя разными способами, один из которых обеспечивает «правильную» сборку составного активного центра и образование активной формы фермента, а другой приводит к неправильной сборке и неактивной форме фермента. Регуляция активности эффектором состоит, согласно этой гипотезе, в том, что активатор стабилизирует активную форму комплекса, а ингибитор - неактивную.
 
Построенная на основе гипотезы математическая модель кинетики реакций, катализируемых фосфофруктокиназой, позволила количественно описать с высокой точностью имеющиеся в литературе экспериментальные кинетические зависимости, что не удавалось ранее сделать с использованием классических моделей Кошланда и Моно-Уаймена-Шанжё. Основные результаты работы описаны в статье: [Drozdov-Tikhomirov LN,et al: The Enzyme Activity Allosteric Regulation Model Based on the Composed Nature of Catalytic and Regulatory Sites Concept. J Biomol. Struct. Dyn. 16(4): 917-29 (1999)]
 
Для выяснения физических основ процесса высокоспецифического белок-белкового взаимодействия было тщательно исследовано строение областей контакта (интерфейса) белок-белковых комплексов. С помощью специально разработанного пакета программ было проведено детальное изучение аминокислотного (АК) состава и структуры интерфейсов большого числа белок-белковых комплексов по данным Брукхейвенского банка данных по структурам белков (PBD). Были построены матрицы фактической встречаемости контактов между различными парами аминокислот в интерфейсах обследованных комплексов, и рассчитаны матрицы математического ожидания образования контактов между различными поверхностными АК при столкновении субъединиц в случайной взаимной ориентации. Сравнение этих матриц показало, что между ними нет существенной разницы, что говорит о том, что контакты между парами АК, входящими в интерфейс комплекса, не являются существенным физическим фактором, определяющим его образование. [Дроздов-Тихомиров Л.Н., Линде Д.М., Поройков В.В., Мокульский М.А. Белок-белковое узнавание: Проверка некоторых гипотез о структуре контактных областей в комплексах белков на материале Брукхейвенского банка данных. Вопросы медицинской химии 1998, 44(1): 63-69)]
 
На основе полученных результатов была с формулирована гипотеза о существенной роли в белок-белковом взаимодействии (узнавании) дистанционных электростатических взаимодействий между субъединицами комплекса, рассматриваемыми как мультиполи, электрическое поле которых образуется в результате суперпозиции полей парциальных зарядов всех атомов, входящих в глобулы субъединиц комплекса.
Предположено, что определяющим фактором при высокоспецифическом белок-белковом взаимодействии являются конфигурации электростатичесих полей субъединиц, рассматриваемых как мультиполи, обеспечивающие специфическую взаимную ориентацию субъединиц в процессе броуновского сближения.
 
В пользу гипотезы приведены расчеты энергии системы, состоящей из двух субъединиц гомодимера рибонуклеазы, разнесенных на расстояние, равное диаметру глобулы (~ 100Å), в зависимости от углов разворота глобул относительно друг друга. Установлено наличие глубоких минимумов энергии в такой системе, существенно превышающих тепловую энергию (kT) и наблюдающихся при углах разворота близких к тем, под которыми субъединицы развернуты в комплексе, что говорит о возможности сильного дистанционного ориентирующего эффекта, вызываемого электростатическим взаимодействием мультиполей в целом электронейтральных молекул белков. Детально с работой можно познакомиться в статьях: [L. N. Drozdov-Tikhomirov et al: About Factors Providing the Fast Protein-Protein Recognition in Processes of Complex Formation. J Biomol Struct Dynamics 21(2):257-66 (2003), Kovalev PV, et al: Role of the Electrostatic Interaction in Pre-orientation of Subunits in the Formation of Protein-Protein Complexes, J Biomol Struct Dyn. 22(1), ,: 111-117 (2004)]
 
Разработка методов математического моделирования метаболизма целой клетки (2005-2015 гг)        
 
Разработан метод математического моделирования метаболизма в больших полиферментных системах, позволяющий моделировать основной метаболизм живой клетки, как системы наделённой способностью к самоподдержанию и самовоспроизведению. Так как число переменных модели больше числа уравнений, то однозначное решение системы уравнений модели, т.е. расчет реальной картины распределения активностей ферментов моделируемой метаболической системы, невозможен. Однако метод работает при предположении об «оптимальном» устройстве метаболической системы, т.е. при предположении что при заданной скорости роста потребление субстрата минимально. Такое предположение вполне оправдано с эволюционной точки зрения. На основе метода построена математическая модель метаболизма бактерии E.coli, других бактерий и митохондрии дрожжей Saccharomyces cerevisiae, рассматриваемых как автономные самовоспроизводящиеся системы.
 
Использование пакета программ FLUXII позволяет решать оптимизационные задачи, такие как:
  • определение величины теоретически максимально возможного экономического коэффициента биосинтеза для того или другого метаболита на заданной среде роста,
  • расчет картины распределения активностей ферментов который должен быть при оптимальном режиме биосинтеза,
  • определение влияния введения в систему или исключения из неё той или другой реакции (фермента) на величину экономического коэффициента биосинтеза
 
Модели такого рода могут иметь большое практическое значение в биотехнологии при конструировании штаммов продуцентов методами генной инженерии, в фармакологии для выяснения биохимических механизмов действия лекарственных препаратов, в биохимии для оценки полноты представлений о метаболизме клетки и их уточнения.
 
Вместе с тем определение реальной картины распределения активностей ферментов в моделируемой метаболической системе, если заданы величины обменных материальных потоков со средой, представляет большой практический интерес.
 
Был разработан метод, который позволяет разделить переменные модели (активности ферментов) на две группы:
  • группу, для которой величины активностей могут быть определены однозначно.
  • группу, для которой могут быть определены интервалы, в которых находятся значения активностей.
 
С помощью пакета программ FLUX IV СК, созданного на основе разработанного метода, осуществляется решение системы уравнений модели, при котором однозначно определяются значения актвностей ферментов 1-ой группы, и интервалы, в которых находятся значения активностей 2-й группы.
 
Проверка работоспособности метода расчета, реализованного в пакете программ FLUX IV СК была проведена для ранее созданной модели метаболизма клетки E.coli.
 
Решение системы уравнений модели, используя пакет программ FLUX IV СК, позволило однозначно определить активности 177 ферментов (из 252) и определить интервалы, в которых лежат значения активностей остальных 75-и.
 
Разработка гипертекстовых баз знаний 2000-2008 г
 
Работы ОБИ в 80-х годах сыграли ведущую роль в становлении биоинформатики в СССР. При координирующей роли отдела разработаны научно-технические программы «Банк нуклеотидных последовательностей» (1983-1985), «Генинформ» (1986-1990) и «Генинформ-СЭВ» (1989-1992). На национальных и международных конференциях, проведенных в Пущино и Новосибирске, при активном участии ОБИ были согласованы и стандартизированы требования к СУБД баз данных, на основе которых сформировалась общая концепция развития биоинформатики в России, составившая основу информационной поддержки со стороны российской биоинформатики международного проекта «Геном человека».
 
В лаборатории была разработана концепция глобальной интеграции биологических знаний и баз данных на основе гипертекстовой технологии. Она была представлена нами на Мировом конгрессе по численным данным (KODATA) в 1990 г. В конце 80-х годов сотрудниками ОБИ разработана СУБД «ФЛЕКСИС», на основе которой была создана (совместно с ИХФ (Черноголовка)) первая в мире база знаний по целому организму - бактериофагу Т4, и в 1995 - 2000 гг создана База знаний по биологии человека (HUMBIO), интегрирующая знания по биологии человека от физиологического до молекулярного уровня с данными, представленными в компьютерных сетях и множестве международных баз данных по молекулярной биологии. В настоящее время она публикуется в Интернете на сервере Отдела биоинформатики ИМГ РАН по адресу http://humbio.ru.
 
Несмотря на то, что в системе наиболее детально представлена информация, касающаяся человека, энциклопедия дает широкий обзор по различным аспектам современной молекулярной и клеточной биологии, генетике, биохимии, патологии и может служить в качестве образовательной системы широкого профиля, связываюшей медицину и современную молекулярную биологию. Наш сервер включен на постоянный режим работы в начале 2001 г. и за истекший период его посетило около 20 миллиона пользователей. (примерно 10 тысяч посещений в день). Среди российских научных интернет-ресурсов БД HUMBIO по посещаемости находится на первом месте. Главным достоинством БД HUMBIO является понятность ее организации для биологов. Это достигается благодаря тому, что структура БД имитирует привычную структуру книги, но дополняется развитым аппаратом гипертекстовых ссылок и мощными поисковыми средствами. Таким образом, за время существования в интернете База знаний по биологии человека стала весьма популярным ресурсом образования и средством работы специалистов в области биологии и медицины.
 
Компьютерные исследования свойств хроматина и взаимодействия хромосом 
 
Разработана компьютерная программа построения потенциала нуклеосомного позиционирования (ПНП), так и несколько вариантов анализа (выяснение размеров кластеров и расстояния между ними, выявление участков высокой и низкой дисперсии нуклеосомного потенциала). Нами на ряде примеров было показана ассоциация кластерного типа ПНП с неактивной формой в зрелой особи, но с активной в эмбриональной/фетальной форме, по нашим представлениям компактные участки ПНП с высокой дисперсией но без нуклеосомных кластеров соответствуют изоформам РНК, активным в зрелой фазе развития организма и, видимо, ассоциирующиеся с ткане-специфичностью.
 
Вторым направлением является разработка гипотезы о роли транскриптов длинных интронов во взаимодействии хромосом. Ведется исследование вторичных структур транскриптов протяженных интронов и корреляции определенных типов этих структур с известными из литературы процессами взаимодействия хромосом.
    
    

Основные публикации

  1. Kazakov A.E., Shepelev V.A., Tumeneva I.G., Alexandrov A.A., Yurov Y.B.,  Alexandrov I.A. Interspersed repeats are found predominantly in the  "old" alpha satellite families. Genomics. 2003, 82(6), 619-627. 
  2. Александров А.А., Дроздов-Тихомиров Л.Н., Шепелев В.А.  Биоинформатика, в кн. Проблемы и перспективы молекулярной генетики. Т.2.  Отв.ред Е.Д.Свердлов. М.: Наука, 2003-2004, с.302-329. 
  3. Александров А.А., Дроздов-Тихомиров Л.Н., Шепелев В.А., Федосеева В.Б.,  Бучацкий А.Г., Казаченко К.Ю., Крупенко М.А., Ковалев П.В.,  Чарикова Е.В., Ревкова Н.В. Информационная база по биологии человека “HUMBIO”: два года в интернете. Успехи современной биологии, 2004,  124(4), p. 397-403.
  4. Shepelev V.A., Alexandrov A.A., Yurov Y.B., Alexandrov I.A. The evolutionary origin of man can be traced in the layers of defunct  ancestral alpha satellites flanking the active centromeres of human  chromosomes. PLoS Genet. 2009 Sep;5(9):e1000641.
  5. Fedoseyeva V.B.,  Alexandrov A.A. Large-scale periodicity of nucleosome positioning signal in pericentric regions of chromosomes (Drosophila melanogaster).(2014) Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, V.32, P.2042- 2050. http://dx.doi.org/10.1080/07391102.2013.8440816)    
  6. Федосеева В.Б. Теоретическая оценка нуклеосомной плотности на генных последовательностях различных ортологов при эухроматической и гетерохроматической локализации. Математическая биология и биоинформатика. 2014. Т. 9. № 1. С. 273–285.
  7. Shepelev V.A., Uralsky L.I., Alexandrov A.A., Yurov Y.B., Rogaev E.I., Alexandrov I.A.  Annotation of suprachromosomal families reveals uncommon types of alpha satellite  organization in pericentromeric regions of hg38 human genome assembly. Genom Data. 2015 Sep 1;5:139-146. 
  8. FedoseyevaV., Zharinova I., Alexandrov A. Secondary structure stretched forms of long intron RNA products  from the view point of initiation of chromosome homologs somatic pairing (2015).  Journal of Biomolecular Structure and Dynamics V.33, P.869-876. . http://dx.doi.org/10.1080/07391102.2014.917361