Геномика, биоинформатика и персонализированная медицина

Н.А. Колчанов, Ю.М. Зыбарев

Институт цитологии и генетики СО РАН,Институт вычислительной математики и

математической геофизики СО РАН г. Новосибирск

*КАК ГЕНЕТИКА ИЗМЕНИТ МЕДИЦИНУ ЧЕРЕЗ 50 ЛЕТ

“Мы будем иметь индивидуализированную, превентивную медицинскую помощь, основанную на персональных оценках риска, полученных на основе анализа ДНК. К этому времени каждый человек будет иметь информацию о полной нуклеотидной последовательности его генома. Стоимость секвенирования индивидуального генома будет меньше 100 US$. Эта информация будет неотъемлемой частью нашей медицинской карты. Почти все медицинские назначения будут учитывать наши генетические особенности

*F. Collins MD, PhD, TIME, the Future of Life, 2003 

Число уникальных SNP (отличия от референсного генома), выявленных в геномах Дж. Уотсона, Кр. Вентера и одного из

представителей монголоидной расы ~ 2 723 000

Wheeler et al., 2008

Всего SNP по сравнению с

референсным геномом

Из них

Ранее известные в

dbSNPНовые

Дж. Уотсон

Кр. Вентер

Китаец (YH)

3 322 093

3 470 669

~3 285 600

2 715 296

2 822 902

~2 260 000

Литература

606 797

647 767

~820 000Jun Wang et al., 2008

~1 096 873

~647 767

~978 370

Уникальные

Полногеномное секвенирование человека: Дж. Уотсон, Кр. Вентер и анонимный китаец-YH. Показаны однонуклеотидные различия

(SNP) между геномами

При анализе индивидуальных геномов из огромного количества характерных для них полиморфизмов должны быть выделены не нейтральные

полиморфизмы, ассоциированные с фенотипической изменчивостью соответствующих организмов

ФармакологияГенетика

Медицина

Информационный взрыв в современной науке (биологический домен)

Геномика Протеомика Метаболомика

Около 100 миллионов биологических публикацийДесятки тысяч биологических баз данных

Многие миллионы патентов

Физиология

• The ANDCell-ANDvisio system was developed for the purpose of scanning literature for virus-related associative interactions (PBSoft).

• The system incorporates utilities for automated extraction of knowledge from texts and factographic databases

(P. Demenkov et al., PBsoft)

Scheme of literature and database mining implemented Scheme of literature and database mining implemented in in ANDCellANDCell--ANDVisioANDVisio systemsystem

Molecular-biological databases

Swissprot, Entrez, PharmGkb, etc

Dictionaries of objects namesProteins, Genes, Metabolites, Pathways, Cellcomponents, MicroRNAs, Cells, Organisms, Diseases

Text-mining modulebased on shallow

parsingAbstract 1: A regulates B

Abstract 2: B regulates C..

Molecular interaction databases (protein-protein, protein-DNA, protein-

substance)IntAct, MINT, NCBI GENE, TRRD, KEGG,

PIMRider, InterPro

PubMed database Associative network visualizerANDVisio

A B C D

ANDCell knowledge databaseIntegration of knowledge obtained

by text-mining and data-mining modules

A regulates B regulates C binds D

Data-mining moduleC binds D

Scheme of literature and database mining implemented Scheme of literature and database mining implemented in in ANDCellANDCell--ANDVisioANDVisio systemsystem

Molecular-biological databases

Swissprot, Entrez, PharmGkb, etc

Dictionaries of objects namesProteins, Genes, Metabolites, Pathways, Cellcomponents, MicroRNAs, Cells, Organisms, Diseases

Text-mining modulebased on shallow

parsingAbstract 1: A regulates B

Abstract 2: B regulates C..

Molecular interaction databases (protein-protein, protein-DNA, protein-

substance)IntAct, MINT, NCBI GENE, TRRD, KEGG,

PIMRider, InterPro

PubMed database Associative network visualizerANDVisio

A B C D

ANDCell knowledge databaseIntegration of knowledge obtained

by text-mining and data-mining modules

A regulates B regulates C binds D

Data-mining moduleC binds D

Scheme of literature and database mining implemented in ANDCell-ANDVisio system

Dictionaries of molecular-genetic object names

the Gene Ontology

Protein names

Gene names

Metabolite names

Disease names

Organism names

Cell component names

MicroRNA names

Pathway names90 000

(42864 – GO; 47136 – PubMed)

5249

370097

2474201

79914

46109

428439

4515

Cell names 396841-PubMed

Онтология типов взаимодействийDirect interaction Catalytic reaction Conversion

Cleavage Co-expression Treatment

Regulation

Function/activity Expression Degradation/stability

Transport/release Pathways Diseases

Association

DownregulationUpregulation

* Реконструкция ассоциативных сетей: графическое представление

функциональных взаимодействий белков вируса гепатита C (NS5A и NS5B)

с белками человекаHepatitis C virus (HCV) NS5B protein is a membrane-associated phosphoprotein that possesses an RNA-dependent RNA polymerase activity. We recently reported that NS5A protein interacts with TRAF2 and modulates tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha)-induced NF-kappaB and Jun N-terminal protein kinase (JNK). Since NS5A and NS5B are the essential components of the HCV replication complex, we examined whether NS5B could modulate TNF-alpha-induced NF-kappaB and JNK activation. In this study, we have demonstrated that TNF-alpha-induced NF-kappaB activation is inhibited by NS5B protein in HEK293 and hepatic cells. Furthermore, NS5B protein inhibited both TRAF2- and IKK-induced NF-kappaB activation. Using coimmunoprecipitation assays, we show that NS5B interacts with IKKalpha. Most importantly, NS5B protein in HCV subgenomic replicon cells interacted with endogenous IKKalpha, and then TNF-alpha-mediated IKKalpha kinase activation was significantly decreased by NS5B. Using in vitro kinase assay, we have further found that NS5B protein synergistically activated TNF-alpha-mediated JNK activity in HEK293 and hepatic cells. These data suggest that NS5B protein modulates TNF-alpha signaling pathways and may contribute to HCV pathogenesis. TRAF2

NS5A

NK-kB

JNKNS5B

IKKalphaTNF-alpha

Красный – названия объектовСиний – слова-связкиЗеленый - организмыРозовый – детерминанты типа объкта

* ANDCell: глобальная ассоциативная семантическая сеть фактов и знаний, извлеченных из различных

источников информации

Глобальная сеть ассоциативных связей, извлеченных из текстов,баз данных и баз знаний

При помощи метода Associative Network Discovery Исходная сеть взаимодействий состоявшая из 37 белков и их генов, ассоциированных с аутическими расстройствами

была расширена: добавлено 150 белков и 46 генов и, взаимодействующих с исходными белками и генами. В результате количество взаимодействий в сети увеличилось на 1584.

РАСШИРЕННАЯ СЕТЬ МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ, СВЯЗАННЫХ С АУТИЧЕСКИМИ РАССТРОЙСТВАМИ

В японских популяциях выявлены полиморфные состояния набора генов, усиливающих усвоение и накопление жиров (примерно 30-40 генов).

Предполагается, что этот комплекс фиксировался в японских популяциях в результате отбора голодом, происходившего в течение 500-600 лет. В древние времена, согласно историческим данным, часто (примерно раз в 3 года) наблюдался массовый голод, приводивший к гибели части населения.

Однако, в настоящее время этот комплекс полиморфизмов создает предпосылки для накопления повышенного количества жиров в организме и возникновения сопутствующих этому патологий.

Комплексы полиморфизмов, адаптивные для популяций человека в историческом прошлом, в настоящее время могут быть

источником системных заболеваний

Kagawa Bioch. Bioph. Res. Comm. et. аl, 2002, V.295. P.207-222.

Замена Met Thr в позиция 235 белка ангиотензиногена;

Популяция: африканские популяции, живущие во влажных тропических лесах;

Проявление: А) резко снижает выведение Na+ из организма, что является полезной адаптацией для жизни в тропиках, где в рационе населения мало животных продуктов и дневное поступление Na+ в организм обычно составляет менее 1 г.

Б) Вместе с тем, этот же полиморфизм вызывает развитие гипертонической болезни при диете с богатым содержанием соли, характерной для современного населения американских городов, что вызывает повышение частоты развития гипертонии у афро-американцев.

Полиморфизмы и глобальные миграционные процессы

Staessen J.A. et. аl, J. Hypertens. 1999. V.17. P.9-17.

Замена Cys Tyr в позици 282 белка, отвечающего за абсорбцию железа в кишечнике, кодируемого геном HFE;

Частота: 5-10%;

Популяция: европейцы;

Время возникновения полиморфизма: примерно 60 поколений тому назад

Проявление: A. В репродуктивном!!!!!! возрасте этот полиморфизм снижает риск железо-

дефицитных состояниях у беременных женщин. Таким образом, в течение репродуктивного периода данный аллель обеспечивает несомненный положительный эффект, чем и объясняется быстрый рост частоты данного SNP в популяции.

B. Однако, в пожилом (пострепродуктивном) возрасте (>55 лет) при данном полиморфизме наблюдается повышенное накопление железа в сердце, печени, поджелудочной железе, суставах и дисфункция этих органов.

Противоположные проявления полиморфизмов в различных стадиях онтогенеза

Thomas W., et.al., Hum. Genet. 1998. V.102. P.517-525.

Основные гены, полиморфизмы в которых приводят к LQTS (Long-QT Syndrome) - синдрому, ассоциированному с риском внезапной

смерти

Источники : 1. Zareba W, et al. N Engl J Med. (1998). 2. Schwartz PJ, et al. Circulation. (2001)3. Moss AJ, et al. Circulation. (2000).

Ген Субтип LQTS

Канал Частота среди всех случаев LQTS

KCNQ1 LQT1 Iks 30-35

KCNH2 LQT2 Ikr 25-30

SCN5A LQT3 Ina 5-10

KCNE1 LQT5 Iks~1

KCNE2 LQT6 Ikr<<1

Структура и функционирование ионных каналов.

Знание молекулярно-генетического субтипа LQTS позволяет выбрать индивидуализированные модификации образа жизни, снижающие риск

патологических проявлений

Источник: Schwartz PJ, et al. Circulation. (2001).

LQT1 LQT2 LQT30%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

63%

13% 13%

26%

43%

19%

2%

29%

39%

9%

15%

29%

Физические нагрузки Эмоциональные Нарушения сна Другие

* У пациентов с LQT1 и LQT2 наблюдается значительное снижение риска патологических проявлений после назначения бета-блокаторов, более выраженное при 1 типе (LQT1)

* При LQT3 бета-блокаторы не эффективны.

16

Источник: Moss AJ, Zareba W, Hall WJ, et al. Circulation. (2000)

Знание молекулярно-генетического субтипа LQTS позволяет выбирать наиболее эффективный вариант терапии бета-

блокаторами

До введения β-блокаторов

После введения β-блокаторов

Дол

я п

ац

иен

тов с

серд

ечн

о-

сосу

ди

сты

ми

осл

ож

нен

иям

и (

%)

Данные из реестра LQTS синдрома США

17

Крысы линии GK – генетическая

модель шизофрении с

каталептическим замиранием

(селекция ИЦиГ СО РАН)

Благодарю за внимание