Сегодня - 16.11.2018

Вычисляя апоптоз

01 октября 2018

Мы умираем и возрождаемся непрерывно, каждую секунду в нашем теле погибает около миллиона клеток. Но иногда процессы клеточного апоптоза дают сбой, и тогда возникают рак, болезнь Альцгеймера и многие другие недуги. О том, как вычислительная биология помогает понять эти сложные механизмы, мы поговорили с заведующей лабораторией системной биологии программируемой клеточной гибели ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» профессором Университета Отто фон Герике (Магдебург, Германия), доктором биологических наук Инной Николаевной Лаврик.

Инна Лаврик— В каких случаях происходит апоптоз? 
 
— Апоптоз — это программируемая клеточная гибель. Он характерен для всех многоклеточных организмов. Нам он нужен как жизнь, которая невозможна без клеточной гибели, как бы парадоксально это ни звучало. Вот сейчас мы с вами разговариваем, а за одну секунду нашего разговора у каждого из нас погибло около миллиона клеток. Это произошло не просто так, а потому что есть специальная программа, направленная на защиту здоровья нашего организма. Она в первую очередь уничтожает все поврежденные клетки, а также клетки, возникающие на время: например, для борьбы с инфекциями. Поэтому не удивительно, что почти для всех существующих заболеваний описаны дефекты в регуляции этого процесса. Например, онкология характеризуется ингибированием (блокировкой) апоптоза, нейродегенеративные болезни — его избыточностью (нейроны погибают, и мы теряем память и другие важные функции). 
 
— Как можно понять апоптоз с помощью вычислительной биологии?
 
— Простой пример: возьмем сложный перекресток, по которому ездит много машин. Если мы посмотрим на одну из них и попытаемся посчитать скорость ее перемещения из пункта А в пункт Б, то это будет очень сложной задачей. Так же как мы никогда не сможем точно оценить, что же происходит на этом перекрестке (даже если будем знать скорость движения всех отдельно взятых автомобилей). И только рассматривая комбинацию движения всех машин, мы сможем спрогнозировать образование пробок и прочие происшествия на данном перекрестке. То же самое происходит и в клетке. Она представляет собой скопление таких «машин» — молекул, белков, и все они как-то между собой контактируют. Их очень много, у каждого существует своя скорость перемещения и взаимодействий, и все они совершенно отличаются друг от друга. Поэтому понять, что происходит при запуске апоптоза, можно только при помощи построения компьютерной модели, которая бы описывала поведение каждого отдельного компонента и свела бы всё в единую систему. Построение компьютерных моделей сигнальных путей получило название системной биологии, поскольку позволяет описать биологические процессы, в том числе и апоптоз, на системном уровне.
 
Почему это важно? Давайте рассмотрим процесс запуска программируемой клеточной гибели с помощью белков — инициаторов апоптоза. Чтобы понять, является ли их количество достаточным для уничтожения клетки, мы должны попытаться просчитать, смогут ли они расщепить свои субстраты, которые, в свою очередь, взаимодействуют еще с каким-то числом белков. Грубо говоря, это та же самая дорожная ситуация. Только в этом случае узнать проедете ли вы на своей машине из пункта А в пункт Б можно, лишь поняв, сколько по пути будет светофоров, пешеходов, которые вас будут тормозить, машин, что встанут посреди дороги, сколько вам по дороге позвонит друзей и так далее. Тонкость состоит в том, чтобы всё это учесть и ввести в конкретную компьютерную модель. Для этого необходима огромная литературная работа и полное понимание процесса апоптоза, а также того, как белки, в нем участвующие, взаимодействуют друг с другом. Мы преодолели все эти сложности, и сейчас строим модели, которые очень хорошо описывают экспериментальные результаты, полученные в пробирке, и, более того, могут предсказать, погибнет ли конкретная клетка при определенном воздействии.
 
—  Для каких именно биологических процессов уже построены такие модели?
 
— Мы работаем с процессами программируемой клеточной гибели. В этой программе есть несколько сигнальных путей. Один из них запускается через рецепторы, находящиеся на поверхности клеток, второй — через митохондрии, это так называемый внутренний сигнальный путь. Они друг с другом очень хорошо «сотрудничают», поскольку конечный результат у них один: полная деградация компонентов клетки. И для того, и для другого построено большое количество математических моделей, которые уже достигли такого уровня, что позволяют описывать даже взаимодействие этих сигнальных путей с лекарствами. Это дает возможность узнать, каким образом лечебные препараты запускают эти сигнальные пути, например, в случае онкологических заболеваний, какими дозами лекарств мы можем действовать на раковую клетку, чтобы победить болезнь. Идеальный результат, конечно — уничтожить раковые клетки, не задев нормальные. В рамках компьютерной модели мы можем попытаться предсказать количество противоракового лекарства, необходимого для терапевтического воздействия на определенный белок-мишень, в конкретной онкологии. И такие работы, дающие реальное предсказание дозы лекарства для конкретного рака, уже проводятся. Конечно, это всё направлено на то, чтобы в ближайшем будущем пытаться подобрать индивидуальную терапию для каждого отдельного пациента.
 
 
— Какие коллективы осуществляют эти исследования?
 
— У нас в ИЦиГ СО РАН образована замечательная российско-немецкая группа, работа которой была поддержана Российским научным фондом. Это создало основу для наших исследований, нам удалось организовать в ИЦиГ СО РАН новую программу, благодаря которой мы пошли немного дальше, чем я до этого рассказывала. Вместе с руководителем лаборатории компьютерной протеомики ИЦиГ СО РАН кандидатом биологических наук Владимиром Александровичем Иванисенко и аспирантом Никитой Владимировичем Иванисенко мы выбрали конкретные белки (про которые с помощью методов биоинформатики было предсказано, что они являются мишенями для процессов апоптоза) и с помощью компьютерного моделирования смогли подобрать низкомолекулярные химические соединения, наиболее эффективно с ними взаимодействующие. Повышенная продукция этих белков характерна для многих видов онкологии, и мы надеемся, что с помощью выбранных соединений нам удастся найти новые пути терапии. Хотя, конечно, задача сложная, и в значительной степени успех лечения зависит от конкретного заболевания и конкретного пациента. К нашему большому сожалению, РНФ закрыл этот тип программ. И в настоящее время неясно, как мы сможем продолжить проект.
 
— Сейчас всё больше говорят о том, что рак — это не одна болезнь, а огромное количество различных «поломок»…
 
— Еще лет 10—15 назад исследования были направлены на то, чтобы найти какую-то одну молекулу-мишень, которая решит все проблемы. В последнее время стало понятно, что это не поможет. Как правило, при онкологиях происходит нарушение целого ряда сигнальных путей. И даже когда мы рассматриваем апоптоз, оптимальная стратегия — воздействовать не только с помощью наших соединений-лидеров на один белок-мишень, а одновременно на несколько ключевых белков апоптоза. То же самое, когда вы едете в машине — вам нужны все четыре колеса, на трех далеко не уедешь. И здесь без компьютерных моделей — никуда, поскольку только так получится просчитать сложные комбинации возможного взаимодействия нескольких лекарств с множественными сигнальными путями в клетке.
 
— А поможет ли знание механизма апоптоза в борьбе с метастазами?
 
— Известно, что метастатические клетки очень сильно отличаются по своему составу и эффективности действия ключевых систем от начальной опухоли. Их нужно изучать отдельно. Конечно, это весьма непросто, но я надеюсь, что в какой-то момент станет возможным. Основная задача современной онкологии направлена на то, чтобы превратить рак из смертельного просто в хроническое заболевание. 
 
— Как вы считаете, насколько близко мы подошли к персонализированной медицине? 
 
— Это проблема актуальна во всем мире. На самом деле до сих пор существует огромная дистанция между конкретными научными разработками и применением их в медицинской практике. Развитие персонализированной медицины идет более высокими темпами именно в странах с хорошо финансируемыми фундаментальными разработками и их последующим практическим применением, такими как США и европейские государства. Несмотря на имеющиеся в России серьезные трудности, я считаю, что здесь есть огромный потенциал для развития и последующего внедрения таких разработок.
 
Так, 11-я Международная мультиконференция по биоинформатике регуляции и структуры геномов и системной биологии, в рамках которой состоялось наше интервью, создает совершенно уникальную платформу для того, чтобы обсудить различные клеточные процессы с точки зрения бионформатики и системной биологии и понять общие закономерности организации этих процессов на системном уровне. Она уже давно получила мировое признание и превратилась в международный форум. Хотелось бы поблагодарить всех организаторов конференции и, в первую очередь академика Николая Александровича Колчанова, за блестящее воплощение такой непростой задачи на самом современном уровне.
 
Беседовала Диана Хомякова
 
Фото: автора (1), с сайта pixabay.com (2, анонс)
 
Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus