Modeliranje in analiza celičnih sistemov

Uvodni sestanek Skupine za računsko biologijov študijskem letu 2016/2017

Miha Moškon10. 10. 2016

Sistemska biologija

Bernhard Ø. Palsson, Systems Biology: Properties of Reconstructed Networks, Cambridge University Press (2006)2

Modeliranje in simulacija

postavljanje in preverjanje hipotez pred eksperimentalnim delom

predikcija perturbacij

merjenje neizmerljivega

abstrakcija

4

Celična omrežja

(de)aktivacija proteinov na podlagi zunanjih signalov

Signalne poti (angl. Signal transduction pathways)

Gensko regulatorna omrežja

Metabolna omrežja

Določeni proteini imajo vlogo transkripcijskihfaktorjev

Regulirajo izražanje/aktivnost encimov, ki katalizirajo metabolne reakcijehttps://www1.villanova.edu/villanova/engineering/research/Faculty/BMER.html

5

Celična omrežja

https://www1.villanova.edu/villanova/engineering/research/Faculty/BMER.html6

Gensko regulatorna omrežja

7

Gensko regulatorna omrežja

8

Gensko regulatorna omrežja

9

Gensko regulatorna omrežja

10

Gensko regulatorna omrežja – lac operon

11

Skupina genov, ki skrbijo za ekonomično izražanje proteinov (encimov) za presnovo laktoze v E. coli.

Signalna omrežja

12

Signalna omrežja – MAPK kaskada

13

14https://en.wikipedia.org/wiki/Cell_signaling

Overview of signal transduction pathways in human cells.

Metabolna omrežja

• Encimske reakcije

• Katabolizem: razgradnja kompleksnejših molekul na enostavnejše, s čimer celica pridobiva energijo

• Anabolizem: sinteza kompleksnejših molekul iz enostavnejših za delovanje celice

15http://krebbing.blogspot.si/2007/12/anabolism-and-catabolism.html

http://escher.github.io/escher-demo/knockout/16

E. coli core metabolism.

http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?map01200+M0016517

Reference pathway of carbon metabolism (general)

Metabolna omrežja: state-of-the-art modeli

Genome scale

Recon 2.2:• model metabolizma človeške celice • od leta 2007 naprej (Recon 1)• 5324 metabolitov, 7785 reakcij, 1675 genov

http://cho.sourceforge.net/• model CHO celice• izhodišče – mišje celice

18

N. Swainston et al., “Recon 2.2: from reconstruction to model of human metabolism,” Metabolomics, vol. 12, no. 7, pp. 1–7, 2016.S. Selvarasu et al., “Combined in silico modeling and metabolomics analysis to characterize fed-batch CHO cell culture,” Biotechnology and Bioengineering, vol. 109, no. 6, pp. 1415–1429, 2012.

Celovito modeliranje celice

Integracija modelov metabolnih, signalnih in gensko regulatornih omrežij z ostalimi pomembnimi celičnimi procesi

Model patogena Mycoplasma genitalium

• 525 genov• 28 podmodelov• do celične delitve

19J. Karr et al., “A whole-cell computational model predicts phenotype from genotype,” Cell, vol. 150, no. 2, pp. 389–401, 2012.