Разработка и программная реализация математических моделей и алгоритмов в биоинформатике (совместно с лабораторией № 6)

Модель аттенюаторной регуляции экспрессии генов у бактерий

Цель создания такой модели – возможно более полно представить различные эффекты, в совокупности образующие механизм, известный как классическая РНК-овая регуляция экспрессии генов с помощью терминации транскрипции (классическая аттенюаторная регуляция, КАР). Модель опирается на представление о макросостоянии вторичной структуры в регуляторной области РНК между рибосомой и РНК-полимеразой, на зависимость резонансного типа, определяющую величину замедления РНК-полимеразы набором шпилек в той же области, на представление процессов инициации и элонгации транскрипции и трансляции. Модель воспроизводит все известные этапы процесса, а именно: посадку рибосомы на область Шайна-Дальгарно; движение рибосомы по цепи мРНК; посадку РНК-полимеразы на промотор и движение ее по цепи ДНК; образование и последующая перестройка вторичной структуры на участке мРНК между рибосомой и РНК-полимеразой; замедление полимеразы в результате резонансного взаимодействия со шпильками вторичной структуры, сложившейся в ходе транскрипции; вплоть до одного из двух возможных исходов - срыва РНК-полимеразы с ДНК (преждевременная терминация транскрипции) или выхода полимеразы в активную область гена, что приводит к экспрессии соответствующего фермента (антитерминация).

Для моделирования используется метод Монте-Карло. В результате многократного запуска модели образуется семейство траекторий, приводящих к одному из двух указанных исходов, что позволяет оценить степень активности фермента в зависимости от концентрации регулирующей данный ген аминокислоты в клетке или в среде. Для КАР характерна монотонная зависимость определенного вида, подтвержденная в ряде биологических экспериментов in vitro, поэтому получение (или отсутствие) такой зависимости является аргументом в пользу наличия или отсутствия данного вида регуляции у еще не изученных генов без проведения дорогостоящих экспериментов.

Обычные вычислительные трудности, сопряженные со стохастическим моделированием, в данной работе удалось успешно преодолеть благодаря предложенной системе бинарных коммутативных LRXY-отношений между элементами спиралей, потенциально возможных в данной последовательности. Будучи раз вычисленными, эти отношения в дальнейшем позволяют вывести из рассмотрения нереализуемые или топологически недопустимые конфигурации спиралей и тем самым существенно сократить перебор при моделировании перестройки вторичной структуры. В результате удалось достичь быстродействия модели более высокого (часто - в сотни раз), чем время протекания соответствующих процессов в организме. Это позволило реализовать модель не только в виде программы, но и в форме Web-сервиса http://lab6.iitp.ru/rnamodel, который работает в режиме массового обслуживания.

В дальнейшем на основе этой модели предполагается получить предсказания о влиянии точечных мутаций в регуляторных областях на результат аттенюаторной регуляции, включая предсказания об эволюционной устойчивости организмов. Другое возможное использование модели: сейчас аттенюаторная регуляция обычно предсказывается in silico на основе множественного выравнивания последовательностей для ряда родственных (в каком-то отношении) организмов, а с помощью модели можно предсказывать наличие или отсутствие аттенюации по индивидуальной последовательности.