1. Improved Medical Education in Basic Sciences
for Better Medical Practicing
ImproveMEd
Rendszerbiológia orvostudományhoz
I. Bevezetés a rendszerbiológiába - Hogyan működnek
a rendszerek?
5. Minél összetettebb egy rendszer,
annál nehezebb megjósolni az általa
teljesített összes lehetséges funkciót.
Képzeljünk el rendszert, amely 100 000 darabból áll ...
sejtenként ...
6. A rendszerbiológia megpróbálja megérteni, ahogy a
molekulák kölcsönhatásba lépnek és egyesülnek ahhoz,
hogy szubcelluláris mechanizmusokat hozzanak létre,
melyek olyan funkcionális egységet alkotnak, amik a
sejtek, szövetek/szervek fiziológiai funkciókhoz
szükségesek
Iyengar, 2000s
7. A 20. század az egyedi molekulákkal
(röntgen-kristályosodás) és bináris
kölcsönhatásukkal (enzim kinetikával)
foglalkozott
1962.
8. Mi az inzulin jelátvitel
célja?
Choi & Kim, 2010, skeletal muscle
↑ Felvétel a vázizomban és a zsírban
↑ Glycogen szintézis az izomban
↓ Máj glükóztermelés
↓ lipolízis az adipocitákban
A sejten kívüli információkat olyan reakciósorokká
alakítják át, amelyek végső kimenetele - az
intracelluláris folyamatok szabályozása
.
Az inzulin jelátvitel célja a glükózfelvétel fokozása és
a sejtmemória metabolizmusának ösztönzése!
9. A transzdukciós folyamat matematikailag
modellezhető és a végtermékeket kiszámolható? Ha
tudjuk a ligand és a receptor kiindulási koncentrációját,
valamint az előremenő és a reverz reakció arányait,
akkor kiszámíthatjuk, hogyan alakul a termék az idő
függvényében.
Radioligand-vizsgálatokat alkalmazzuk az egyéni kísérletek
sebességi állandójának és receptor koncentrációjának mérésére.
10. A jelátviteli folyamat (teljes
jelátviteli út) a közönséges
differenciálegyenletek (ODE)
sorozataként írható, amelyek az
enzimreakciók reprezentálására
szolgálnak, a receptortól
kezdődően és a végtermékekkel
történő befejezéshez.
11. cAMP-függő protein kináz A - Krebs & Fisher (1992) G-fehérjék -
Gilman & Rodbell (1994.) Β-adrenerg receptorok - Lefkowitz &
Kobilka (2012.)
Bottom-up megközelítés: az egyéni
kísérletek és a bináris molekuláris
kölcsönhatások független felfedezései.
Hipotézis alapú tanulmányok!
12. Ha az egyik jelátviteli
útvonaltól származó egységek
kölcsönhatásba lépnek egy
másik útvonal entitásával, az
útvonalak hálózatokká válnak.
13. 1. A rendszerbiológia a molekuláris biológiára, a
biokémiai és a sejtbiológiára épít, valamint a biológiai
kölcsönhatásokról már felhalmozott tudást is
felhasználja.
2. A rendszerbiológia a számítástechnikai modellek
számos kísérletéből integrálja a létező tudást. A célja
olyan összetett interakciókból eredő funkciókat
megtalálása, amelyek nem megjósolhatók az egyes
összetevők (pl. jelátviteli hálózatban lévő kapcsoló
jelenléte, robusztusság ...) vizsgálatával.
14. A kapcsolási viselkedés felfedezése
számítási szimuláció és kísérleti
bizonyítékok alapján legelőször a MAP-
kináz hálózatban történt meg.
Csak akkor, ha az EGF szintje 5 nM
fölött volt 100 percen át, a MAPK
szintje nem tért vissza a kiindulási
értékhez, de magas maradt. Az egyik
üzemmódot a másikra váltó
(pihenőállapot / megosztás)
kapcsolócella beépült az egymással
kölcsönhatásba levő jelzőútvonalak
(PLCγ-PKC és Ras-Raf-MAPK) hálózatába Bhalla & Iyengar (1999) Science 283: 381-7.
15. A jelátviteli utak olyan motívumok, amelyek hasonlítanak
az elektronikus hálózatokhoz, pl. visszacsatolási hurkok. A
pozitív és negatív szabályozókkal ellátott visszacsatoló
hurkok a fiziológiás körülmények széles skáláján
működnek - két állapot között oszcillálnak - amit
rugalmasságnak és robusztusságnak ismerünk.
Bhalla & Iyengar, 2001.
Pozitív
regulátorok
Negatív
regulátorok
16. 3. A rendszerbiológiai olyan kísérleteket használ, amely
során egyszerre több molekuláris egységet mérünk.
Top-Down megközelítés - nagy adat és átfogó kép,
amely speciális matematikai modelleket, statisztikai
eszközöket és bioinformatikát igényel. Hipotéziseket
generáló tanulmányok!
17. A nagy mennyiségű adatot (big data) alkalmazó
első tanulmányok egyike: Iyer et al. (1999) A
transzkripciós program az emberi fibroblasztok
szérumra adott válaszában. Science. 283: 83-7
A mikroarrayeket 9996 elem egyidejű mérésére
használták, amely 8613 humán gént jelentett a
szérum kezelés utáni 8 óra időintervallumban. A
szérumfosztott sejtekből származó RNS-t Cy3-
jelölt cDNS előállítására alkalmaztuk, míg a
stimulált sejtekből származó RNS-t Cy5-jelölt
cDNS előállítására alkalmaztuk.
Iyer et al. (1999)
19. OMICS = kísérleti megközelítés, amely egyidejűleg mér számos egyedi
egységet ugyanabban az időpontban, mely nagy adathalmazt
eredményez. Gyakran használják különböző időpontok vagy különböző
feltételek közötti összehasonlításra.
Genomika - bizonyos fiziológiai funkciókban szerepet játszó gének.
Proteomika - együtt expresszált gének.
Metabolikusok - sok metabolit létezik egyidejűleg egy sejtben, szövetben
vagy szervben.
20. A bioinformatika a nagy adatok kereshető
módon történő szervezésével és a kulcsadatok
kibontásával foglalkozó tudományág.
A nagy adatok nyilvánosan elérhetőek a következő
helyeken: GEO (mRNS profilozás), Target Scan
(mikroRNS), Swiss-Prot (fehérjék), OMIM (betegség
gének), DbGAP (genom-szintű társulási vizsgálatok).
21. Két fő megközelítést használatos az adatbázisból történő
számításhoz:
1. olyan entitások listájának létrehozása, amelyek statisztikailag
együttesen kapcsolódnak ugyanahhoz az alapbázishoz, (abban
az időpillanatban és adott körülmények között) - pl. minden
együtt expresszált fehérje éhezéskor
2. statisztikailag kapcsolt egységek listájának generálása a
különböző alapok között - pl. minden expresszált mRNS Down-
szindrómában.
22. 1. A rendszerbiológia a biokémia, a molekuláris biológia és a
sejtbiológia területére épít
2. A rendszerbiológia az OMICS-ekben kialakított kísérleteket
használja.
3. Az összegyűjtött nagy adatok további elemzése során statisztikai
módszereket, bioinformatikai megközelítést és különböző típusú
modelleket alkalmazunk.
4. A rendszerbiológia fő célja az, hogy felfedezze a rejtett
mechanizmusokat és funkciókat, amelyek a rendszer egészéből
származnak, és amelyeket nem lehet kimutatni az egyes részek
megfigyelésével.
