Организация и функциоинирование молекулярно-генетических систем IV: генные сети



Куратор курса: н.с. Суслов Валентин Владимирович

I. Организационно-методический раздел.
    1.1. Цели и задачи курса.
    1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
    1.3. Формы контроля
II. Содержание дисциплины.
    2.1. Тематический план курса.
    2.2. Содержание отдельных разделов и тем.
    2.3 Перечень контрольных заданий на семинарах.
III. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
    3.1 Образцы вопросов для подготовки к экзамену.
    3.2 Список основной и дополнительной литературы
    Лекции (2008-2009)
    Лекции (2005-2006)
    Лекции (2003-2004)
    Лекции (2005-2006)

I. Организационно-методический раздел.


1.1. Цели и задачи курса:

Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов с методами построения и анализа генных сетей, регулирующих развитие фенотипических признаков организма и позволяющих изучать молекулярно-генетические механизмы сложных признаков и строить математические модели.

Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

  • определить понятие генной сети, ее структурно-функциональную организацию,
  • дать представление о функциональных системах в других областях знаний
  • охарактеризовать основные принципы и подходы, используемые для построения генной сети
  • дать оценку сложности генных сетей
  • познакомить с базами данных, содержащих информацию о генных сетях, метаболических сетях и путях передачи сигнала

[Назад]

1.2. Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины)

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

  • иметь представление о сложных регуляторных сетях и принципах их организации,
  • знать основные методы построения генных сетей,
  • уметь анализировать структуру графа генной сети.

[Назад]


1.3. Формы контроля

Итоговый контроль – экзамен.
Текущий контроль – письменные отчеты работы на семинарах.

[Назад]

II. Содержание дисциплины.

Новизна курса.
В курсе представлены методы построения генных сетей, регулирующих развитие сложных признаков. Такой курс не читается ни в одном другом университете России. Аналогичные курсы в зарубежных университетах уделяют больше внимания технике освоения методов биоинформатики, тогда как данный курс направлен главным образом на изучение теоретических основ анализа генных сетей, а также на  особенности построения генной сети как основы математической модели. Актуальность этого курса определяется тем, в пост-геномную эру развития биологии анализ экспериментальной информации невозможен без компьютерных методов ее систематизации и математического моделирования. Исторически, изучались молекулярные механизмы действия определенного сигнала на экспрессию отдельного гена или синтез какого-либо метаболита. В настоящее время усилия направлены на анализ того, как целый геном отвечает на сигнал или несколько взаимодействующих сигналов. Именно поэтому в последнее время во всем мире уделяется огромное внимание развитию методов микрочипов и  изучению кластеров координировано регулируемых генов. Развиваются базы данных метаболических и сигнальных путей для систематизации и анализа этих данных. В лаборатории теоретической генетики ИЦИГ СО РАН предложена оригинальная технология построения генных сетей на основе экспериментальных данных, включающая как метаболические пути, так и пути передачи сигнала. В основе построения генных сетей лежит химико-кинетический подход, позволяющий представить любые процессы как сумму элементарных событий, оперируя концентрациями молекул и скоростями реакций.  Этим объясняется то, что данный курс в настоящее время читается только в одном  университете России.

[Назад]

2.1 Тематический план курса.

Наименование разделов и тем

Количество часов

Лекции Семинары Лабораторные работы Самостоятельная работа Всего часов
Введение в курс, основные понятия и термины. Структурно-функциональная организация и интеграция генных сетей 2 8 10
Функциональные сети: структура, динамика, эволюция 2 2
Пути передачи сигнала 2 2
Генные сети индивидуального развития 2 2
Cложность генных сетей про- и эукариот 2 2
Генные сети метаболизма. Представление в базах данных и принципы организации 2 2
Итого по курсу 12 8 20

[Назад]


2.2 Содержание отдельных разделов и тем.

Генные сети. Структурно-функциональная организация и интеграция генных сетей

Понятие «генной сети». Классы функциональных структур и событий, значимых для функционирования генных сетей. База данных GeneNet: компьютерная  технология реконструкции и описания  генных сетей на основе экспериментальных данных. Cтруктурно-функциональная организация. Кассетная активация и репрессия генов. Положительные и отрицательные обратные связи – обязательные элементы генных сетей. Мотивы генных сетей. Генная сеть редокс-регуляции и интеграция генных сетей. Системная компьютерная биологии: прикладные и фундаментальные аспекты.

Функциональные сети: структура, динамика, эволюция

Функциональная система как сеть взаимодействующих элементов. Биологические, социальные, экономические и коммуникационные сети. Случайные и безмасштабные сети. «Малый мир». Структура, динамика и устойчивость безмасштабных сетей.

Пути передачи сигнала в генной сети апоптоза

Апоптоз – генетически детерминированный путь клеточной смерти. Особенность генной сети апоптоза. Каспазный каскад – амплификация сигнала. Рецепторный и митохондриальный путь активации апоптоза. Интеграция путей активации апоптоза. Каскад стресс-индуцируемых киназ и интерференция генных сетей апоптоза и ответа на тепловой шок. р53 регулируемая генная сеть. Bcl-2 семейство белков — медиаторов апоптоза. TNF-alpha индуцирует два пути передачи сигнала. Ингибиторы апоптоза. NF-kappaB – ключевой транскрипционный фактор, обеспечивающий выживание клетки.

Генные сети индивидуального развития

Понятия онтогенез, эмбриогенез и жизненный цикл. Генные сети индивидуального развития на примере генных сетей развития Drosophila melanogaster. Генная сеть сегментации: иерархическая структура графа генной сети, блочность графа генной сети. Поздний эмбриогенез — гибридная генная сеть поздних этапов сегментации: межклеточные взаимодействия и градиенты морфогенов, сигнальные каскады. Пример развития от зачатка до органа – генная сеть развития крыла дрозофилы. Консервативность процессов развития. Интеграция высокого уровня генных сетей развития на примере генных сетей развития нервной системы насекомых и позвоночных и механизмов детерминации тканей сегментов тела. Hox-гены — центральные регуляторы генных сетей интеграторов морфогенеза. ABC модель развития цветка и Hox-гены. Топология графа генной сети развития цветка.

Cложность генных сетей про- и эукариот
Геномный парадокс, или как оценить сложность генных сетей? Организация генных сетей про- и эукариот: принципы общие, реализация различна. Накладывает ли размер генома и/или число регуляторных единиц какие-либо ограничения на сложность генных сетей? Жесткость, быстрота и точность против избыточной гибкости: плюсы и минусы оперонной структуры по сравнению с генами эукариотического типа. Размеры регуляторных районов — почему они важны. Стратегия выживания популяций и сложность генных сетей. Сложность организации как критерий прогресса.

Генные сети метаболизма. Представление в базах данных и принципы организации

Краткая характеристика баз KEGG (http://www.genome.ad.jp/kegg ),  MetaCyc (http://metacyc.org/) и ее подраздела EcoCyc (http://ecocyc.org/), TRANSPATH (http://www.biobase.de/pages/products/transpath.html).

База по генным сетям GeneNet, разработанная в ИЦиГ СО РАН (г.Новосибирск). Способы представления данных в базе GeneNet, отличающие GeneNet от других баз.

Принципы организации генных сетей метаболизма прокариот: согласованная регуляция экспрессии генов одного метаболического пути за счет принадлежности одному оперону. Типы регуляторных белков и типы оперонов (с примерами регуляторных ситуаций для лактозного оперона E.coli).

Кассетный принцип активации (или репрессии) генов одного метболического пути эукариот (на примере регуляции пути бета окисления жирных кислот и поддержания внутриклеточного уровня холестерина).

Примеры эукариотических транскрипционных факторов, обеспечивающих регуляцию в ответ на метаболический сигнал.

[Назад]


2.3 Перечень контрольных заданий на семинарах.

ЗАДАНИЕ 1

Метаболические пути — обязательные элементы генных сетей
Дать описание двух реакций (на выбор) в пути реутилизации аденина с использование данных EcoCyc. Используя базу данных PubMed, собрать информацию о регуляции этих реакций

ЗАДАНИЕ 2

Пути передачи сигнала — обязательные элементы генных сетей
Прочитав экспериментальную статью, с использованием формата базы данных GeneNet дополнить киназные пути активации транскрипционного фактора NF-kappaB при действии цитокина TNF-alpha

ЗАДАНИЕ 3
Кассетная активация генов — обязательный элемент генных сетей
Используя систему поиска SRS базы данных TRRD, выбрать гены, содержащие сайты связывания транскрипционного фактора NF-kappaB и активируемые этим транскрипционным фактором при индукции TNF-alpha, и дать описание одного гена в формате базы данных GeneNet

ЗАДАНИЕ 4
Положительные и отрицательные обратные связи — обязательные элементы генных сетей
Используя генные сети, представленные в базе GeneNet, привести пример одного контура с положительной или отрицательной обратной связью и дать его описание в формате базы данных GeneNet

[Назад]

III. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.


3.1 Образцы вопросов для подготовки к экзамену.

Билет 1

1) Понятие «генной сети». Классы функциональных структур и событий, значимых для функционирования генных сетей.
2) Интеграция генных сетей развития на примере генных сетей развития нервной системы насекомых и позвоночных и механизмов детерминации тканей сегментов тела. Hox-гены.

Билет 2

1) Cтруктурно-функциональная организация генных сетей.
2) Генная сеть редокс-регуляции и интеграция генных сетей.

Билет 3

1) Случайные и безмасштабные сети. Структура, динамика и устойчивость безмасштабных сетей.
2) Интерференция TNF-alpha индуцируемых путей передачи сигнала в генной сети апоптоза.

Билет 4

1) Гибридная генная сеть поздних этапов эмбриогенеза дрозофилы, сигнальные каскады.
2) Основные информационные модули базы KEGG, типы данных, которые там содержатся.

Билет 5

1) ABC модель развития цветка.
2) Какие данные содержат базы MetaCyc и EcoCyc ?

Билет 6

1) Пример развития от зачатка до органа — генная сеть развития крыла дрозофилы.
2) База GeneNet, что отличает эту базу от баз KEGG и MetaCyc ?

Билет 7

1) Генная сеть сегментации в раннем эмбриогенезе (блочность графа генной сети и иерархическая структура графа генной сети).
2) Каким образом обеспечивается согласованная (координированная) регуляция генов одного метаболического пути у прокариот и эукариот ? Примеры.

Билет 8

1) р53 регулируемая генная сеть.
2) Типы регуляторных белков и типы регуляции оперонов, примеры.

Билет 9

1) Пути активации апоптоза, интеграция рецепторного и митохондриального пути.
2) Привести пример метаболического пути у эукариот, когда метаболический сигнал активирует регуляторный белок и это приводит к активации экспрессии генов.

Билет 10

1) Каскадный принцип усиления сигнала на примере генной сети апоптоза.
2) Привести пример метаболического пути у эукариот, когда метаболический сигнал препятствует активации регуляторного белка, вследствие чего экспрессия генов снижается.

Билет 11

1) Положительные и отрицательные обратные связи – обязательные элементы генных сетей.
2) Как оценить сложность генных сетей?

Билет 12

1) Функциональная система как сеть взаимодействующих элементов.
2) База данных GeneNet: компьютерная  технология реконструкции и описания  генных сетей на основе экспериментальных данных.

Билет 13

1) Организация генных сетей про- и эукариот.
2) Свойство «малого мира» функциональных систем.

[Назад]


3.2 Список основной и дополнительной литературы

  1. Колчанов Н.А., Ананько Е.А., Колпаков Ф.А., Подколодная О.А., Игнатьева Е.В., Горячковская Т.Н., Степаненко И.Л. Генные сети. // Молекулярная биология, 2000, 34, 4, 533-544.
  2. Ananko E.A., Podkolodny N.L., Stepanenko I.L., Ignatieva E.V., Podkolodnaya O.A., Kolchanov N.A. GeneNet: a database on structure and functional organization of gene networks // Nucleic. Acid Research, 2002, 30 (1), pp. 398-401.

[Назад]

Лекции (2008 — 2009)

Лекция №1.Реконструкция генных сетей и анализ их свойств (скачать)

Лекция №2. Генные сети метаболизма. Представление в базах данных и принципы организации (скачать)

Лекция №3.Пути передачи сигнала в генной сети апоптоза (скачать)

Лекция №4. Генные сети индивидуального развития (скачать)

Лекция №5. Сложность генных сетей прокариот и эукариот (скачать)

Лекция №6. Методы компьютерного анализа генных сетей. Архитектура генных сетей (скачать)

[Назад]

Лекции (2005 — 2006)

Лекция №1. Задачи оптимального управления в динамике генных сетей (скачать)

[Назад]

Лекции (2003 — 2004)

Лекция №1.Структурно-функциональная организация и интеграция (скачать)
Комментарии к лекции 1 (скачать)

Лекция №2.Функциональные сети: структура, динамика, эволюция (скачать)

Лекция №3. Пути передачи сигнала в генной сети апоптоза (скачать)

Лекция №4.Генные сети индивидуального развития (скачать)
Комментарии к лекции 4 (скачать)

Лекция №5.Сложность генных сетей прокариот и эукариот (скачать)
Комментарии к лекции 5 (скачать)

Лекция №6. Генные сети метаболизма. Представление в базах данных и принципы организации (скачать)

[Назад]