«Наш сервис — серьезная помощь биологам и иммунологам, которые исследуют влияние метаболизма на клинические изменения. В предыдущих исследованиях мы показали высокую эффективность разработанного нами алгоритма и подтвердили результаты программного анализа экспериментально. Большое число научных групп обращалось к нам за помощью, поэтому сотрудник Университета ИТМО Алексей Сергушичев создал веб-сервис, чтобы ученые могли самостоятельно воспользоваться программой», — прокомментировал работу научный руководитель проекта, профессор Университета Вашингтона в Сент-Луисе Максим Артемов.
На сегодняшний день не существует одновременно простых, эффективных и бесплатных программных продуктов, способных анализировать в комплексе гены и метаболиты (простые низкомолекулярные вещества, вовлеченные в обмен веществ). Хороших моделей для биологических процессов в клетках млекопитающих также нет из-за большого количества взаимосвязанных реакций (около 1500), происходящих в клетке единовременно.
Поэтому разработка ученых, в числе которых аспирант кафедры компьютерных технологий Университета ИТМО Алексей Сергушичев, уже сейчас способна оказать существенную помощь биологам и фармакологам. Например, веб-сервис может быть полезен при изучении процессов, происходящих внутри раковых клеток. При помощи программы можно составить подробную карту метаболических путей в таких клетках и выявить механизмы развития опухоли. Борьба с раком без понимания этих процессов крайне затруднительна.
В одной из предыдущих работ ученые, используя созданный алгоритм, уже показали, что замедление определенных процессов метаболизма в раковых клетках способно снизить темпы роста опухоли. Теперь воспользоваться программой может любой желающий. Сервис уже используется в десятках биологических лабораторий и фармацевтических компаний.
Поскольку метаболизм также играет важную роль в функционировании иммунной системы, GAM-сервис может быть применен для изучения аутоиммунных патологий, при которых иммунную систему нужно, наоборот, деактивировать, поскольку она атакует здоровые ткани. Большинство таких заболеваний являются хроническими и, как правило, приводят к серьёзным нарушениям функций внутренних органов.
Помимо метаболизма, на баланс иммунной системы значительно влияет активность (экспрессия) генов.
«В метаболические пути входят также ферменты, катализирующие химические реакции. Без необходимых ферментов реакция не идет, а они как раз кодируются генами. С помощью нашего веб-сервиса можно изучать изменения не только концентраций метаболитов, но и экспрессии генов. Так мы сможем разобраться в механизмах клеточных процессов и выделить ключевые реакции при протекании различных аутоиммунных заболеваний. В будущем это позволит разрабатывать регуляторы иммунной системы, например, иммунные супрессоры для эффективного лечения таких патологий, как сахарный диабет I типа или хронический гепатит В, причиной которых как раз является сбой в работе иммунной системы», — рассказывает Алексей Сергушичев.
Программа сравнивает исходные данные по концентрациям метаболитов и экспрессии генов с базами KEGG, в которых описано большинство биологических процессов в стандартном состоянии. Затем она строит граф, вершинами которого являются те из веществ, которые претерпели серьезные изменения, а ребрами — путь их превращения в ходе химических реакций. Для каждой вершины программа определяет вес — показатель значимости метаболита в общем процессе, зависящий от отклонения его концентрации от нормы.
Таким образом, можно идентифицировать процессы в клетке через анализ двух состояний: контрольного (нормального) и при воздействии внешнего фактора. Например, ранее ученые проследили, как происходит активация и перестройка макрофагов (клеток иммунной системы) при появлении возбудителя инфекции.
В отличие от немногих аналогов, сервис бесплатный, интуитивно понятный, эффективный и не требует установки. Любой пользователь может просто воспользоваться им вместо того, чтобы самостоятельно получать доступ к специальному программному обеспечению и базам KEGG.
С одной стороны, метод хорошо подходит для нецелевого анализа сети реакций, когда неизвестно, какие закономерности нужно искать. С другой стороны, он помогает обнаружить сигнальные вещества, от которых иммунная система получает информацию об изменениях в метаболизме, и изучить их роль во внутриклеточных процессах. Совместный анализ экспрессии генов и изменений концентраций метаболитов сужает площадь поиска и позволяет выделить из сложной сети реакций фрагмент, интуитивно понятный для исследователей.
Статья: «GAM: a web-service for integrated transcriptional and metabolic network analysis», Alexey A. Sergushichev, Maxim N. Artyomov et al. Nucleic Acids Research, April 4, 2016.
