In Silico Cell: Challenges and Perspectives

Abstract

Аннотация. В статье приведен обзор исследований по созданию «электронной клетки» -информационно-компьютерного ресурса, позволяющего моделировать полный метаболизм клетки с учетом процессов генетической регуляции и механизмов клеточного роста и деления; освящены основные проблемы для ее создания и существующие подходы к ее решению, в том числе, разработанные и развиваемые в Институте цитологии и генетики СО РАН.Ключевые слова: электронная клетка, элементарная подсистема, моделирование. ВВЕДЕНИЕС начала 50-60-х годов двадцатого столетия, после открытия структуры ДНК [1], как основного носителя генетической информации в живых системах, и фундаментальных принципов регуляции экспрессии генов [2], началось интенсивное изучение законов функционирования молекулярно-генетических систем. Открытие структуры ДНК послужило толчком для развития методов молекулярной биологии, направленных на выявление генов и функций кодируемых ими белков. Вплоть до создания высокопроизводительных экспериментальных подходов (конец 90-х годов 20-го столетия -начало 21 века), в силу существующих возможностей, любая живая система рассматривалась как набор элементарных компонентов, которые исследовались независимо от остальных. В научной литературе такой подход позиционируется как редукционистский, в противоположность системному (интегративному) подходу (рис. 1), однако широко используется и в настоящее время. Системный подход получил совершенно новые возможности с появлением современных экспериментальных технологий, компьютерных систем, предназначенных для анализа огромного массива генерируемых экспериментальных данных, и методов высокопроизводительных вычислений [3]. Появилась возможность реконструкции на качественном уровне молекулярно-генетических систем, обеспечивающих функционирование, как отдельных клеток, так и тканей, органов и организмов в целом в условиях гомеостаза, стрессовых ответов на факторы окружающей среды или в ходе индивидуального развития организмов. В результате, изменилась парадигма исследования живой системы, как единого целого [4].Однако, ни один, даже самый современный экспериментальный подход сам по себе не может дать истинного представления об изучаемой биологической системе в силу * akberdin@bionet.nsc.ru

A Modular Mathematical Model of Exercise-Induced Changes in Metabolism, Signaling, and Gene Expression in Human Skeletal Muscle

“…It is worth noting that although advancement in the development of high-throughput experimental techniques and generation of diverse omics data for human skeletal muscle during endurance exercise enabled us to unveil key participants of the cellular response and adaptation to stress/various stimuli [8][9][10][11][12], the systematic understanding of signalingmetabolic pathway relationships with downstream genetic regulation in exercising skeletal muscle is still elusive. Detailed mechanistic and multiscale mathematical models have been constructed to provide a powerful in silico tool enabling quantitative investigation of the activation of metabolic pathways during an exercise in skeletal muscle [14][15][16]. Here, we propose a modular model of exercise-induced changes in metabolism, signaling, and gene expression in human skeletal muscle.…”

A Mathematical Model Linking Ca2+-Dependent Signaling Pathway and Gene Expression Regulation in Human Skeletal Muscle

“…15. № 1. doi: 10.17537/2020. 15.20 работоспособности на уровне скелетных мышц и организма, а также к снижению факторов риска развития сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний [1,2].…”

“…Стоит отметить, что, несмотря на современные достижения в развитии высокопроизводительных экспериментальных технологий и генерации разнообразных, гетерогенных омиксных данных, полученных на клетках скелетных мышц человека до и после физических нагрузок [4][5][6][7][8], целостное представление и детальное понимание взаимоотношений между сигнальными, метаболическими путями и процессами генетической регуляции в работающей мышечной клетке отсутствует. Метод математического моделирования представляет собой комплементарный экспериментальным методам подход для исследования молекулярных механизмов и сигнальных путей, лежащих в основе адаптации клеток скелетных мышц человека к аэробным физическим нагрузкам, на количественном уровне [9][10][11].…”