Современные представления о регуляции метаболизма Курс лекций для студентов МБФ Говорун В.М.

Вводная лекция

Метаболи́зм (от греч. μεταβολή, «превращение, изменение») или обмен веществ набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды. Метаболизм обычно делят на две стадии в ходекатаболизма сложные органические вещества деградируют до более простых, в процессах анаболизма с затратами энергии синтезируются такие вещества, как белки, сахара, липиды инуклеиновые кислотыгреч.химических реакцийорганизмекатаболизмаанаболизмабелкинуклеиновые кислоты

Разнообразие и единство метаболизма Археи, цианобактерии, бактрии, свободноживущие эукариотические микроорганизмы, эндосимбионты растения, животные, микробиоты …..

Прошло много лет… гг.

Современные данные и формы их представления

Базы данных метаболических путей

Глобальная метаболическая карта

Частные метаболические карты Гликолиз Цикл трикарбоновых кислот

Разметка метаболических путей по референсным картам Наложение ферментов, предсказанных из генома, на референсную карту Референсная карта одна на все организмы

Разметка метаболических путей по референсным картам Референсная карта гликолиза Гликолиз у Homo sapiens Гликолиз у Ecsherichia coli

Визитная карточка фермента

Катализируемые реакции

В каких ещё путях присутствует такой фермент

Базы данных метаболических путей KEGG MetaCyc HMDB

Размеры геномов

Методы, используемые для изучения регуляции метаболизма и выявления новых метаболических блоков Геномика (сравнительная геномика) Транскриптомика Протеомика Интерактомика (выявление новых комплексов) Метаболомика Метаболическая реконструкция и кинетическое моделирование Метагеномный анализ GWASы

Какое количество генов определяет жизнь?

Поиск минимального генома Сравнительная геномика Эксперименты: транспозон-опосредованный мутагенез и сайленсинг РНК

Минимальная клетка (A. Forster, G. Church, 2006) 113 kbp, 151 ген

"3D-лист" минигенома E.coli based (150 макромолекул + 45 малых молекул )

Создание синтетических геномов Химический безматричный синтез определенного минимального набора генов Проверка и коррекция ошибок Геномная трансплантация или инъекция

Минимальная клетка Минимальный набор генов Mushegian, Koonin Hutchison, Venter Moya Hutchison, Venter

Метаболическая реконструкция минимального генома

Протеом микоплазм Всего генов Экспрессируется (от общего числа генов) Acholeplasma laidlawii Mycoplasma gallisepticum

Протеом микоплазм Экспрессируется генов с неизвестной функцией (от общей экспрессии) Acholeplasma laidlawii 242 (30%) Mycoplasma gallisepticum 167 (34%)

Регуляция транскрипции у микоплазм Регуляторов транскрипции Acholeplasma laidlawii 30 Mycoplasma gallisepticum 2

Генетика человека и метаболизм

Эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов Посттрансляционная модификация гистонов АТФ-зависимый ремоделлинг хроматина мРНК(miR-10a, miR-17-92, miR-20a, miR-31) РНК – интерференция Метилирование ДНК

Метилирование генома Метилирование цитозина в 5 положении CpG Геном человека: 29тыс. CpG островков, вблизи промотерных областей генов и/или их экзонах Статус метилирования промотерной области – Эпигенетическая регуляция экспресии гена – Взаимосвясь с ацетилированием гистонов и суперспирализацией ДНК

Пост-трансляционные модификации гистонов Цветом отмечены известные модификации гистонов. Остатки лизина и аргинина гистонов могут быть метилированы (зеленый пятиугольник). Фосфорилированы по серину и треонину (желтые кружочки), убиквитинилирование (синие звездочки) и ацетилирование (красные треугольники ) лизинов.

Глобальное изменение степени метилирования во время эмбриогенеза

Полиморфизм A223V (C677T) гена MTHFR Гипергомоцистеинемия Нарушение метилиро- вания ДНК Дефекты развития плода Токсичность противо- раковой терапии

Микрофлора человеческого организма А. Левенгук, 1681 год 75-78% 2-3% (мужчины) 9-12% (женщины)

Микрофлора желудочно-кишечного тракта человека 10*3-10*4 10*5-10*9 10*2-10*12

K. Kurokawa et al, 2007, DNA RESEARCH Группа: 7 взрослых, 2 ребенка (1,5 и 3 года), 4 младенца (3-7 месяцев) Результат: генов 0,05 Gb на пациента Метагеномный подход к анализу микробных сообществ: результаты Qin et al, 2010, Nature Группа: 124 взрослых Результат: 3,3 млн генов видов 5 Gb на пациента

Метагеномный подход к анализу микробных сообществ: научные сообщества MetaHIT Institutes Institut National de la Recherche AgronomiqueInstitut National de la Recherche Agronomique - Coordinator - INRA CEA GenoscopeCEA Genoscope - France Danmarks Tekniske UniversitetDanmarks Tekniske Universitet - Denmark Danone ResearchDanone Research - France European Molecular Biology LaboratoryEuropean Molecular Biology Laboratory - Germany Hospital Universitarii Vall d'HebronHospital Universitarii Vall d'Hebron - Spain Istituto Europeo di OncologiaIstituto Europeo di Oncologia - Italy Novo Nordisk Steno Diabetes CenterNovo Nordisk Steno Diabetes Center - Denmark Syddansk UniversitetSyddansk Universitet - Denmark UCB PharmaUCB Pharma - Spain Wageningen UniversiteitWageningen Universiteit - The Netherlands The Wellcome Trust Sanger InstituteThe Wellcome Trust Sanger Institute - United Kingdom Beijing Genomics Institute ShenzhenBeijing Genomics Institute Shenzhen - China Copenhagen UniversityCopenhagen University - Denmark Mérieux AllianceMérieux Alliance - France