Организация и функциоинирование молекулярно-генетических систем IV: генные сети



Преподаватели: Игнатьева Е.В., Сайк О.В.


ЛЕКЦИЯ 1

История становления понятия «Генные сети» — приложение принципов кибернетики к теоретическому описанию явлений жизни. Концепция молекулярно-генетических систем (МГСУ), разработанная профессором В.А. Ратнером. Блочно-модульное строение МГСУ клетки. Понятия в рамках МГСУ: сайзер, двухоперонный триггер, эпиген, генные сети. Роль обратных связей: варианты генов и генных систем с обратными связями. Пример реального триггера — система репликацией у фага лямбда. Строение и функционирование лактозного оперона у бактерий: приложение представлений, разработанных в рамках теории МГСУ.

ЛЕКЦИЯ 2

Современное определения понятия «генных сетей». Обязательные типы структурных и функциональных компонентов генных сетей. Метод формализованного графического представления ГС, разработанный в рамках технологии GeneNet (разработка ИЦиГ СО РАН). Функциональные модули ГС (пути передачи сигналов , метаболические пути и т.д.). Базовые принципы организации генных сетей: (1) существование большого разнообразия молекулярных механизмов, обеспечивающих функционирование обратных связей; (2) наличие в каждой сети «центральных» генов и белков; (3) кассетный принцип регуляции; (4) авторегуляция генной сети; (5) молекулярная бюрократия; (6) иерархическая организация ГС; (7) компартментализация ГС. Положительные и отрицательные обратные связи – обязательные компоненты генных сетей: четыре характерных типа динамики критических переменных. Транскрипционные факторы — компоненты генных сетей, определяющие их сложность. Роль транскрипционных факторов в реализации обратных связей. Пути передачи сигналов: конвергентность и дивергентность. ГС нескольких организмов (паразит-хозяин).

ЛЕКЦИЯ 3
Генные сети в эпоху высокопроизводительного секвенирования. Сети взаимодействий между генами / белками: (1) регуляторные сети; (2) сети белок-белковых взаимодействий. Компьютерная система Cytoscape – возможности реконструкции, визуализации и анализа сетей. Базы данных, содержащие схемы метаболических и сигнальных путей, а также схемы регуляции биологических процессов различного уровня сложности: KEGG, REACTOME, BIOCARTA, MetaCYC и др. (способы визуализации, информационное содержание, возможности экстракции информации). Интернет-доступные информационные компьютерные системы, позволяющие экстрагировать данные по связям различных типов между генами: STRING, GeneMANIA, Pathway Commons и т.п.

Лекция 4

Обзор Интернет-ресурсов, содержащих разнообразную информацию о генах, белках, метаболитах, микроРНК, заболеваниях и др., представленную в различных форматах. Интеграция разрозненных источников информации (единый формат, единый способ графического и текстового представления, возможность выполнения поискового запроса ко всем данным). Преимущества интеграция биологических данных. Ресурсы, интегрирующие биологическую информацию из разнородных источников: ANDSystem, STRING, GeneMania, Pathway Commons. Примеры исследований, выполненных с использованием этих ресурсов.

ЛЕКЦИЯ 5.
Реконструкция генных сетей, основанная на методах автоматического анализа текстов (text-mining). Система ANDSystem – как пример системы, использующей автоматический анализ текстов для реконструкции ассоциативных генных сетей. Источники информации. Онтологии, используемые в ANDSystem. Модуль автоматического анализа текстов в ANDSystem. Точность и полнота информации, извлеченной методом text-mining. Краткая характеристика интерфейса AndVisio, реализованного в ANDSystem – возможности поиска и фильтрации данных. Примеры задач, которые можно решать с помощью ANDSystem.

ЛЕКЦИЯ 6.
Выявление структурно-функциональных особенностей ассоциативных генных сетей. Выявление кластеров в генных сетях. Поиск регуляторных контуров. Идентификация ключевых генов, хабов. Выявление центральных вершин в генных сетях, расчет показателей центральности вершин. Определение сверхпредставленных Gene Ontology биологических процессов (ресурс DAVID). Приоритезация генов-кандидатов (ресурсы Endeavour, ToppGene, DIR).

Практическое занятие 1
База KEGG Pathway и компьютерная система STRING. Знакомство со способом представления данных в базе KEGG Pathway и возможностями информационной компьютерной системы STRING. Цели занятия — овладение методами (1) экстракции данных из KEGG и STRING; (2) поиска связей между генами из предложенного списка (гены из конкретной диаграммы базы KEGG Pathway) с помощью системы STRING; (3) анализа данных с помощью опций, имеющихся в рамках системы STRING.

Практическое занятие 2
Компьютерная система GeneMANIA. Знакомство с возможностями и способом представления данных в системе GeneMANIA. Цели занятия: (1) овладение методами реконструкция сетей взаимодействий между генами/белками с помощью системы GeneMANIA; (2) экстракция данных о белок-белковых взаимодействиях из системы GeneMANIA; (3) сопоставление полученных данных о белок-белковых взаимодействиях с данными, полученными на предыдущем занятии с помощью системы STRING.

Практическое занятие 3
Компьютерная система ANDSystem. Пример реконструкции генной сети с использованием методов автоматического анализа текстов (text-mining). Словари названий биологических объектов, лингвистические шаблоны в системе ANDSystem. Точность и полнота информации, извлеченной методом text-mining. Цели занятия: получение представления о методе автоматического анализа текстов; знакомство с компьютерной системой ANDSystem.

Практическое занятие 4

Знакомство с интерфейсом системы AndVisio. Возможности поиска и фильтрации данных в AndVisio. Выявление центральных вершин в генных сетях. Расширение генной сети с заданными условиями. Приоритезация генов-кандидатов ресурсами Endeavour, ToppGene, DIR. Анализ сверхпредставленных Gene Ontology биологических процессов ресурсом DAVID. Сравнение результатов реконструкции генных сетей различными системами (ANDSystem, GeneMANIA, STRING и KEGG Pathway). Цели занятия: овладение методами реконструкция и анализа генных сетей с помощью интерфейса AndVisio, реализованного в системе ANDSystem, и других ресурсов; сопоставление генных сетей, полученных разными системами.