Основы биоинформатики - Огурцов А.Н. 2013

Информационные принципы в биотехнологии
Биоинформатика в фармации
Компьютерная токсикология и иммуноинформатика

Новый раздел биоинформатики ядоинформатика (или веном-информатика, venominformatics) занимается компьютерным анализом данных о структуре и активности ядов и их компонентов (токсинов) у животных и растений.

Речь идет о ядах животных самых разнообразных систематических групп - медуз, моллюсков, пчёл и ос, пауков, скорпионов, рыб, змей. Эти яды, вырабатываемые специализированными железами, животные используют для охоты и защиты от хищников. Яды представляют собой сложную смесь токсинов (белков, большинство которых обладает ферментативной активностью), аминов, липидов и др.

Яд одного вида змеи, скорпиона, моллюска может содержать 50-200 токсических компонентов. Токсины - это высокоактивные молекулы, избирательно воздействующие на различные клеточные мишени в организме жертвы (в том числе человека).

По мишени действия токсины разделяют на:

✵ Гематические яды (Heamotoxic) - яды, затрагивающие кровь.

✵ Нейротоксины (Neurotoxic) - яды, поражающие нервную систему и мозг.

✵ Миотоксины (Myotoxins) - яды, повреждающие мышцы.

✵ Гемотоксины (Haemorrhaginstoxins) - токсины, которые повреждают кровеносные сосуды и вызывают кровотечение.

✵ Гемолитические токсины (Haemolysinstoxins) — токсины, которые повреждают эритроциты.

✵ Нефротоксины (Nephrotoxins) - токсины, которые повреждают почки.

✵ Кардиотоксины (Cardiotoxins) - токсины, которые повреждают сердце.

✵ Некротоксины (Necrotoxins) - токсины, которые разрушают ткани, вызывая их омертвление (некроз).

✵ Другие токсины.

Исследование токсинов имеет фундаментальное значение, поскольку позволяет характеризовать определённые ионные каналы и другие клеточные рецепторы, исследовать механизмы свёртывания крови и т. д. Кроме того, здесь присутствует важный медицинский аспект: разработка вакцин, антидотов, различных терапевтических средств, инсектицидов и т. д. В мире ежегодно тысячи людей погибают в результате укусов ядовитыми животными.

Фармакологические свойства ядов и токсинов исследуются в экспериментах на биологических моделях (крысы, мыши, насекомые). Экспоненциально растет количество сведений о биологических эффектах ядов животных, включая их действие на молекулярном уровне, то есть на ионные каналы и мембранные рецепторы.

Разрабатываются программные средства для сравнения аминокислотных последовательностей токсичных белков, моделирования трёхмерной структуры токсинов и их молекулярных мишеней, филогенетического анализа и совершенствования классификаций токсинов и организмов-продуцентов. Благодаря применению компьютерных методов возрастает интенсивность исследований биологически активных пептидов и снижается стоимость этих работ.

Существуют специализированные токсикологические базы данных:

Ещё одним новым разделом биоинформатики является иммуноинформатика (immunoinformatics) или компьютерная иммунология.

Иммунная система, как особая система органов и клеток, обеспечивающих защиту (иммунитет) организма от микробов-паразитов, возникла на определённом этапе эволюции, когда в многоклеточном

организме появились клетки, призванные защищать организм от патогенных микроорганизмов.

Клетки, входящие в состав иммунной системы, были названы иммунокомпетентными. Все они происходят из единого предка - стволовой клетки костного мозга, которая даёт начало разным линиям клеток: гранулоцитов, моноцитов, В-лимфоцитов, Т-лимфоцитов, НК- клеток и других.

Т-лимфоциты (Т-клетки) для окончательного созревания перемещаются из костного мозга в тимус, а оттуда расселяются в селезенку и лимфоузлы, проходя через кровоток и лимфоток. Одна из клеточных субпопуляций этой системы - Т-киллеры (цитотоксические Т-лимфоциты).

НК-клетки - естественные киллеры, натуральные киллеры (natural killer cells (NK cells)) - большие гранулярные лимфоциты, обладающие цитотоксичностью против опухолевых клеток и клеток, заражённых вирусами. Основная функция НК-клеток - уничтожение клеток организма недоступных для действия основного компонента противовирусного иммунитета - Т-киллеров.

В-лимфоциты (В-клетки), так же как гранулоциты и моноциты, проходят созревание в костном мозге, откуда зрелые клетки выходят в кровяное русло. В-лимфоциты также могут покидать кровяное русло, оседая в селезенке и лимфоузлах, и превращаться в плазматические клетки.

Моноциты, выходя из кровеносных сосудов, попадают в разные органы и ткани, где превращаются в тканевые макрофаги.

Гранулоциты проходят свой жизненный цикл внутри кровеносных сосудов, циркулируя в крови, а покидают сосудистое русло только в случае особой необходимости, то есть при непосредственной угрозе вторжения и распространения по организму микробов-паразитов.

Изучая тонкие механизмы этих процессов, исследователи поняли, что ни В-клетки, ни Т-киллеры не в состоянии развить максимально эффективную реакцию самостоятельно. Для наиболее полного её проявления необходима помощь со стороны других клеток. Эту вспомогательную функцию выполняют как фагоцитирующие клетки (макрофаги, дендритные клетки), так и Т-хелперы (от англ. helper - помощник). Именно через процесс взаимодействия различных типов иммунокомпетентных клеток формируется наиболее выраженный иммунный ответ.

Исключительно важную роль в "информационном" обеспечении иммунной системы играют белки цитокины (cytokines) - небольшие пептидные информационные молекулы. Они регулируют межклеточные и межсистемные взаимодействия, определяют выживаемость клеток, стимуляцию или подавление их роста, дифференциацию, функциональную активность и апоптоз, а также обеспечивают согласованность действия иммунной, эндокринной и нервной систем в нормальных условиях и в ответ на патологические воздействия.

Цитокины - это небольшие белки (молекулярная масса 8-80 кДа), действующие аутокринно (то есть на клетку, которая их продуцирует) или паракринно (на клетки, расположенные вблизи). Образование и высвобождение этих высокоактивных молекул происходит кратковременно и жёстко регулируется.

Для цитокинов характерен сложный сетевой характер функционирования. В большинстве случаев клетка организма является мишенью нескольких цитокинов. Один цитокин может регулировать образование и функционирование другого.

Обычно отдельные цитокины служат "буквами алфавита", образующими целое "цитокиновое слово". И влияние каждого цитокина реализуется только в результате кооперативного воздействия на клетку именно такого "слова".

Всё это затрудняет создание единой классификации цитокинов. Все цитокины (а их в настоящее время известно более 100, и число их постоянно возрастает) по структурным особенностям и биологическому действию делятся на несколько самостоятельных групп.

По механизму действия выделяют следующие группы цитокинов:

✵ провоспалительные, обеспечивающие мобилизацию и развитие воспалительного ответа;

✵ противовоспалительные, ограничивающие развитие воспаления;

✵ регуляторы клеточного и гуморального иммунитета (естественного или специфического), обладающие собственными эффекторными функциями (противовирусными, цитотоксическими).

По функциональному признаку цитокины сгруппированы в несколько больших семейств:

✵ интерлейкины (ИЛ, interleukin, IL) (таблица 25);

✵ интерфероны (interferon, IFN);

✵ хемокины (chemokines);

✵ колониестимулирующие факторы (colony stimulating factor, CSF);

✵ факторы некроза опухолей (tumor necrosis factor, TNF);

✵ факторы роста (growth factor, GF), в частности фактор роста нервной ткани (nerve growth factor, NGF).

Таблица 25 - Клетки-продуценты и клетки-мишени интерлейкинов

В геноме клетки имеются специальные гены, ответственные за синтез конкретных цитокинов. До определенного времени эти гены молчат, не проявляя своего присутствия. Однако стоит только клетке распознать внедрение в организм чужеродных микробов, гены цитокинов экспрессируются и готовые молекулы цитокинов начинают выделяться клеткой в окружающую среду.

Для восприятия и распознавания различных цитокинов, клетки несут на своей поверхности специальные сложно устроенные молекулы-рецепторы. Цитокины, являясь своеобразным межклеточным языком, позволяют клеткам общаться, взаимодействовать, объединяя свои усилия в борьбе с микробами-паразитами. На внедрение и размножение микробов организм отвечает мобилизацией защитных клеток и продукцией защитных молекул - иммунным ответом. Чтобы иммунный ответ состоялся, оказался достаточно эффективным, выполнил свои защитные функции и был своевременно выключен за ненадобностью, необходимы чёткие межклеточные взаимодействия, которые обеспечиваются цитокинами.

Макрофаги часто называют клетками-мусорщиками из-за их способности захватывать, поглощать, убивать и переваривать всё, с чем они соприкасаются. Но по спектру продуцируемых ими веществ и характеру действия их скорее можно назвать диспетчерами. У макрофагов есть обратная связь с клетками-предшественниками: по кибернетическому принципу положительной обратной связи зрелый макрофаг может продуцировать специальные цитокины - ростовые факторы, которые с кровью поступают в костный мозг и усиливают процессы деления и созревания клеток-предшественников. При инфекции, когда многие макрофаги погибают в борьбе с микробами, им на смену приходят новые молодые макрофаги, ускоренно созревающие в костном мозге.

Такая угроза возникает, например, при ранении, когда нарушается целостность защитного барьера кожи или слизистой оболочки. Рана служит входными воротами для инвазии микробов-паразитов. Проникновение микробов через входные ворота, их размножение в тканях организма служат сигналом мобилизации защитных клеток на борьбу с микробами.

Прямо во входных воротах в борьбу с бактериями вступают фагоцитирующие клетки - гранулоциты и макрофаги. Первый сигнал мобилизации эти клетки получают от самих бактерий-агрессоров в виде молекул их токсинов. Одновременно с фагоцитозом бактерий макрофаги начинают синтезировать и выделять воспалительные цитокины - интерлейкин-1, фактор некроза опухолей и др.

Под влиянием цитокинов усиливается прилипание циркулирующих лейкоцитов к эндотелию сосудов, их выход из сосудов и мобилизация в очаг инфекции. Те же цитокины усиливают антибактериальную активность фагоцитов.

Интерлейкин-1 выполняет также роль межклеточного сигнала, вовлекающего в процесс активации Т-лимфоциты и включающего механизмы специфического иммунного ответа.

Активированные Т-лимфоциты пополняют ресурсы воспалительных цитокинов, синтезируя гамма-интерферон, активирующий макрофаги. Существенную помощь фагоцитирующим клеткам в борьбе с бактериями оказывают продукты В-лимфоцитов - специфические антитела-иммуноглобулины.

В отличие от бактерий вирус является внутриклеточным паразитом. Поэтому существуют два пути: или атаковать и убивать зараженные вирусами клетки вместе с вирусами, или каким-то образом воспрепятствовать внутриклеточному размножению вирусов, если не удалось помешать их внедрению во входных воротах.

По первому пути идут разные типы цитотоксических клеток-киллеров, защищающие организм от вирусов. Распознав на поверхности зараженной клетки чужеродные антигены клетки-киллеры впрыскивают в такую клетку-мишень содержимое своих цитоплазматических гранул, куда входит фактор некроза опухолей, протеолитические и липолитические ферменты и другие молекулы, повреждающие клетку-мишень. Результатом атаки киллера, как правило, является гибель клетки-мишени вместе с внутриклеточными паразитами.

Другой механизм защиты против вирусов - молекулярный. Ответственные за противовирусную защиту белки получили название интерфероны, которое отражает их способность интерферировать, то есть противодействовать процессам биосинтеза вирусных частиц в клетке хозяина.

Интерферон синтезируется клеткой-продуцентом в ответ на заражение вирусом. Клетка-продуцент выделяет (секретирует) молекулы интерферона, которые соединяются с соответствующими рецепторами на поверхности клеток, зараженных вирусом. Как в любом другом случае, взаимодействие цитокина (в данном случае интерферона) со своим специфическим рецептором влечёт за собой передачу внутриклеточного сигнала к ядру клетки. В клетке включаются гены, ответственные за синтез белков и ферментов, препятствующих самовоспроизведению вируса в этой клетке. Таким образом, интерферон блокирует биосинтез вирусных частиц в зараженной клетке. Это позволяет использовать препараты интерферона в качестве лечебных при вирусных инфекциях.

Иммунология является по своей сути комбинаторной наукой. Разнообразие объектов в иммунной системе человека поистине огромно:

✵ приблизительное число возможных комбинаций при сборке молекул иммуноглобулинов (Ig) в организме данного индивидуума превышает 1 миллиард вариантов;

✵ по разным оценкам вариативность рецепторов Т-клеток (TCR) человека лежит диапазоне 10⁷-10¹⁵ различных клонотипов;

✵ у каждого человека возможно около 10¹² клонотипов В-клеток;

✵ известные на сегодня более 500 аллельных вариантов молекул класса I главного комплекса гистосовместимости (МНС, major histocompatibility’ complex) позволяют теоретически более чем 10¹³ гаплотипов класса I;

✵ Теоретически общее число линейных эпитопов, составленных из девяти аминокислот, которые и являются общими целями клеточного иммунитета, превышает 10¹¹ вариантов; а число конформаций антигенных детерминантов ещё больше.

Перечисленные оценочные значения демонстрируют чрезвычайную сложность и вариативность, как молекулярных компонентов иммунной системы, так и всей системы иммунитета в целом. Это разнообразие и является основой способности нашей иммунной системы различать "своих" и "чужих", и вырабатывать соответствующие иммунные ответы.

Дополнительными объектами информационного исследования являются:

✵ многоэтапные системы сигнализации в ответ на возбуждение, завершающиеся синтезом перечисленных выше чрезвычайно разнообразных молекулярных компонентов;

✵ сами взаимодействия между элементами системы, которые носят характер сетевого, а не цепочечного типа;

✵ сложные системы передачи сигналов;

✵ сложные механизмы модуляции иммунных ответов.

Собранные на сегодняшний день данные представляют только мизерную часть всех возможных данных, и количество иммунологической информации растёт экспоненциально с каждым годом. В этой ситуации информационного "бума" наша способность расшифровать реальные механизмы иммунных ответов или корректировать нежелательные иммунные ответы всё в большей степени зависит от использования методик иммуноинформатики.

Главная задача иммуноинформатики состоит в обработке и анализе иммунологических данных, основываясь на инфраструктуре многочисленных иммунологических баз данных.

Примеры таких баз данных:

✵ BioMed Immunology - http://www.biomedcentral.com/bmcimmunol/

✵ MBIM Immunoligy Links

http://pathmicro.med.sc.edu/links/immunol-link.htm

✵ HIV Molecular Immunology Database

http://www.hiv.lanl.gov/content/immunology/

✵ COPE (Cytokines & Cell Online Pathfinder Encyclopedia)

http://www.copewithcytokines.org/

✵ BiofileSurf Immunology Databases List

http://biophilessurf.info/immuno.html

✵ IMGT (International ImMunoGeneTics information system)

http://www.imgt.org/

✵ Immune Epitope Database

http://www.iedb.org/

✵ ImmPort

https://immport.niaid.nih.gov/

На сегодняшний день биоинформационные методы относительно хорошо развиты для некоторых иммунологических областей, как, например, иммунологические базы данных, геномные приложения, изучение Т-лимфоцитарных эпитопов, математическое моделирование иммунных ответов. В других направлениях применения иммунологической биоинформатики находятся все ещё в фазе зарождения, как например, в анализе аллергичности белков или в иммунопротеомике. Вследствие комбинаторной, синергетической природы иммунологических данных, важность эффективного, точного и всестороннего использования инструментов и методов иммуноинформатики в иммунологических исследованиях будет только непрерывно расти.

Контрольные вопросы и задания

1. Каких результатов можно добиться внесением в клетку рекомбинантных ДНК, и какие существуют проблемы при этом?

2. Приведите примеры того, как сравнительный анализ геномов человека и лабораторных животных помогает исследовать этиологию болезней.

3. Из каких компонентов состоит генная сеть?

4. Чем занимается фармакогеномика?

5. Что такое фармакологическая мишень?

6. Приведите примеры того, как генные полиморфизмы соответствуют изменениям чувствительности к терапевтическому действию определённых препаратов.

7. Чем отличается моногенные и полигенные вариации метаболических путей?

8. Приведите примеры того, как от генных полиморфизмов фармакологических мишеней может зависеть индивидуальная предрасположенность к побочным реакциям на лекарства.

9. За счёт чего учёт генных полиморфизмов облегчает возможность индивидуального подхода к лекарственной терапии?

10. Перечислите этапы процесса разработки нового лекарственного препарата.

11. Что такое лид? Каким критериям должен удовлетворять лид?

12. Охарактеризуйте обязательные фазы клинических испытаний лекарств.

13. Назовите способы обнаружения лидов?

14. Какие рецепторы являются самой многочисленной группой белков-мишеней?

15. Как классифицируют модуляторы фармакологических мишеней?

16. Из каких четырёх основных элементов состоит современное молекулярное компьютерное моделирование фармакологических мишеней?

17. Каким образом биоинформатика позволяет интенсифицировать рациональные методы разработки лекарственных препаратов?

18. Какую дисциплину называют фармакоинформатикой?

19. Что такое химическое пространство?

20. Что такое фармакофор?

21. Что такое молекулярный докинг?

22. Чем отличаются процедуры конструирования молекул лекарств для случаев известной и неизвестной пространственной структуры белков-мишеней?

23. Что такое QSAR?

24. Чем занимается веноминформатика?

25. Какие клетки называются иммунокомпетентными?

26. В чём заключается комбинаторность иммунологии?

27. Какие системы в иммунологии являются объектами информационного исследования?

28. В чём состоит задача иммуноинформатики?