ПРИМЕНЕНИЕ БИОИНФОРМАТИКИ В НАШЕ ВРЕМЯ

Биоинформатика и ее влияние на геномику

Беспрецедентное богатство биологических данных сгенерировано человеческими проектами генома и секвенирования в других организмах. Огромная потребность в анализе и интерпретации этих данных управляется развивающейся наукой о биоинформатике. Биоинформатика определяется как применение инструментов вычисления и анализа для сбора и интерпретации биологических данных. Это междисциплинарная область, которая использует компьютерные науки, математику, физику и биологию. Биоинформатика необходима для управления данными в современной биологии и медицине. [1;2] 

Эта статья описывает основные инструменты биоинформатики и рассматривает, как они используются для интерпретации биологических данных и для дальнейшего понимания болезни. Обсуждаются также потенциальные клинические применения этих данных при открытии и разработке лекарств.

Новая стратегия случайного секвенирования всего генома (это общее название методов которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК) была использована для секвенирования генома Haemophilusinfluenzae в 1995 году.[3] Это был первый полный геном любого свободного живого организма, который был секвенирован. Другие бактериальные геномы, такие как геномы Mycoplasmagenitalium и Mycobacteriumtuberculosis, были секвенированы.[4;5] За ним последовали другие эукариотические виды, такие как Caenorhabtidis elegans (червь),[6]  Drosophila melanogaster (плодовая муха) и Arabdopsis thaliana (горчица). Секвенирование нескольких других видов, в том числе приматов данио, рыб-мышей, мышей, крыс и нечеловеческих приматов, уже началось или близится к завершению как частными, так и общедоступными инициативами по секвенированию. Знания, полученные из этих данных о последовательности, будут иметь значительные последствия для понимания биологии и медицины. В результате сравнительных геномных и протеомных исследований мы скоро сможем не только определить местонахождение каждого человеческого гена, но и полностью понять его функцию. [2,3]

Биоинформационные инструменты

Основными инструментами биоинформатики являются компьютерные программы и интернет. Основным видом деятельности является анализ последовательности ДНК и белков с использованием различных программ и баз данных, доступных во всемирной паутине. Любой, от клиницистов до молекулярных биологов, имеющих доступ к Интернету и соответствующим веб-сайтам, теперь может свободно обнаруживать состав биологических молекул, таких как нуклеиновые кислоты и белки, с помощью основных биоинформационных инструментов. Это не означает, что обработка и анализ необработанных геномных данных могут быть легко выполнены всеми. Биоинформатика является развивающейся дисциплиной, и теперь опытные биоинформатики используют сложные программы для поиска, сортировки, анализа, прогнозирования и хранения данных о последовательностях ДНК и белков.

Крупные коммерческие предприятия, такие как фармацевтические компании, нанимают биоинформатиков для выполнения и поддержания масштабных и сложных биоинформационных потребностей этих отраслей. Ввиду постоянно растущей потребности в постоянном вкладе экспертов в область биоинформатики большинство биомедицинских лабораторий вскоре могут иметь своих собственных биоинформатиков. Индивидуальному исследователю, помимо базового сбора и анализа простых данных, несомненно, потребуется внешний биоинформационный совет для любого сложного анализа.

Функциональная геномика

После завершения первого проекта генома человека акцент смещался с самих генов на генные продукты. [1;2] Функциональная геномика придает большую значимость геномной информации. Это изучение генов, их полученных белков и той роли, которую играют белки.

Анализ и интерпретация биологических данных рассматривает информацию не только на уровне генома, но и на уровне протеома и транскриптома. Протеомика - это анализ общего количества белков (протеома), экспрессируемых клеткой, а транскриптомика - анализ транскриптов РНК-мессенджера, продуцируемых клеткой (транскриптом). Технология ДНК-микрочипов определяет уровень экспрессии генов и включает генотипирование и секвенирование ДНК. Массивы экспрессии генов позволяют одновременно анализировать уровни экспрессии РНК-мессенджера тысячами генов в доброкачественных и злокачественных опухолях, таких как келоид и меланома. Профили экспрессии классифицируют опухоли и обеспечивают потенциальные терапевтические цели.Биоинформационные исследования белка основаны на аннотированных белках и двухмерных базах данных электрофореза. После разделения, идентификации и характеристики белка следующей проблемой в биоинформатике является прогнозирование его структуры. Структурные биологи также используют биоинформатику для обработки обширных и сложных данных рентгеновской кристаллографии, исследований ядерного магнитного резонанса и электронной микроскопии для создания трехмерных моделей молекул.[4]

Клиническое применение биоинформатики

Клиническое применение биоинформатики можно рассматривать в ближайшей, краткосрочной и долгосрочной перспективе.Проект может оказать значительное влияние на людей, живущих в 2020 году, например, полный список генных продуктов человека может предоставить новые лекарства, а генная терапия при заболеваниях отдельных генов может стать рутиной в Интернете.Основные биоинформационные инструменты уже доступны в определенных клинических ситуациях для помощи в диагностике и планах лечения. Например, PubMed (www.nlm.nih.gov) доступен бесплатно для биомедицинских журналов, цитируемых в Medline, и OMIM (онлайн-наследование Менделяна в человеке по адресу www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/), поисковые инструменты для человеческих генов и генетические нарушения, используются врачами для получения информации о генетических нарушениях в условиях клиники или больницы. Примером применения биоинформатики в новых терапевтических достижениях является разработка новых дизайнерских целевых препаратов, таких как мезилатиматиниба (Gleevec), который взаимодействует с аномальным белком, образующимся при хронической миелоиднойлейкемии( это злокачественная опухольмиелоидного ростка крови, при которой быстро размножаются изменённые белые кровяные клетки).[5] Способность идентифицировать и нацеливать специфические генетические маркеры с помощью биоинформационных инструментов способствовала открытию этого препарата.

В краткосрочной перспективе, в результате нового биоинформационного анализа проекта генома человека, будет выявлено больше генов болезней и одновременно будут обнаружены новые лекарственные мишени.[5] Биоинформатика будет служить для выявления генов восприимчивости и освещения патогенных путей, связанных с болезнью, и, следовательно, предоставит возможность для разработки целевой терапии. Недавно потенциальные мишени при раке были идентифицированы по профилям экспрессии генов.

В более долгосрочном плане интегративный биоинформационный анализ геномных, патологических и клинических данных в клинических испытаниях позволит выявить потенциальные побочные реакции лекарств у людей с помощью простых генетических тестов. В конечном итоге фармакогеномика (использование генетической информации для индивидуализации медикаментозного лечения), вероятно, приведет к новому веку персонализированной медицины; пациенты будут нести генные карты с собственным уникальным генетическим профилем для определенных лекарств, предназначенных для индивидуальной терапии и целевого лекарственного средства без побочных эффектов.[6]

Список литературы:

1. International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature. 2001;409:860–921. [PubMed] [Google Scholar]
2. Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG, et al. The sequence of the human genome. Science. 2001;291:1304–1351. [PubMed] [Google Scholar]
3. Fleischmann RD, Adams MD, White O, Clayton RA, Kirkness EF, Kerlavage AR, et al. Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd. Science. 1995;269:496–512. [PubMed] [Google Scholar]
4. Fraser CM, Gocayne JD, White O, Adams MD, Clayton RA, Fleischmann RD, et al. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science. 1995;270:397–403. [PubMed] [Google Scholar]
5. Cole ST, Brosch R, Parkhill J, Garnier T, Churcher C, Harris D, et al. Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence. Nature. 1998;393:537–544. [PubMed] [Google Scholar]
6. Parkhill J, Wren BW, Thomson NR, Titball RW, Holden MT, Prentice MB, et al. Genome sequence of Yersinia pestis, the causative agent of plague. Nature. 2001;413:523–527. [PubMed] [Google Scholar]
7. The human genome (special issue). Science 2001;5507:1145-434
8. Luscombe NM, Greenbaum D, Gerstein M. What is bioinformatics? Method Inform Med 2001;40:346-58
9. Mount DW. Bioinformatics: sequence and genome analysis. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001.
10. Baxevanis AD, Ouellette BFF. Bioinformatics: a practical guide to the analysis of genes and proteins. 2nd ed. John Wiley and Sons, 2001.