Head

Фонд принял участие
в симпозиуме
по системной биологии старения

8-9 декабря 2009 года,
Балтимор, Мэриленд, США

 

 
П

редставитель Фонда «Наука за продление жизни» Мария Коноваленко приняла участие в симпозиуме по системной биологии старения человека, который был организован Национальным институтом старения США и проходил в Балтиморе 8-9 декабря 2009 года.

В английском языке для обозначения понятий «биология систем» и «системная биология» используется один и тот же термин systems biology. Однако, это две большие разницы, которые соответствуют двум разным пониманиям системных подходов: редукционизму и холистике. На конференции присутствовали ученые, которые трактуют термин systems biology как биология систем и подсистем организма, то есть являются последователями редукционизма, также были и те, которые считают, что необходимо рассматривать старение организма как единое целое, объединение взаимосвязанных частей. В этом случае системная биология понимается как объединение различных областей изучения биологических процессов в единое целое. Стоит подчеркнуть, что данные подходы не являются взаимоисключающими.

Ниже представлено краткое содержание наиболее интересных докладов.

Furber

Джон ФУРБЕР

Джон Фурбер (Legendary Pharmasueticals, Флорида, США) посвятил свой доклад графическому представлению системной биологии старения. Он подчеркнул необходимость видения полной картины процесса старения. В качестве примера графического представления процессов Джон Фурбер рассматривал и сравнивал свою схему процессов старения и Графическую Систему Обозначений Системной Биологии – Systems Biology Graphical Notation. Доктор Фурбер обратил внимание на некоторые недостатки последней: отсутствие цветности и невозможность использования новых элементов. По его мнению, необходимо использовать «мозг по-максимуму, а не спускаться до уровня черно-белой факсовой машины». Отказ разработчиков SBGN от цветности мотивировался невозможностью передачи цветных изображений по факсу. В то же время схема доктора Фурбера многоцветна, где цвет несет информацию (например, голубым отмечены процессы, происходящие в ядре клетки, а сиреневым – метаболические пути). Такая схема может служить живым учебником, на ней могут быть отражены несколько различных гипотез, также показана динамика изменений в тканях со временем (отражается в форме элементов, где слева прошлое, справа – будущее). Также Джон Фурбер поставил несколько вопросов, на которые, возможно, в какой-то момент удастся ответить с помощью его схемы:

1.    Какова основная причина старения: программа развития или накопление повреждений?
2.    Что более целесообразно: изменение скорости накопления повреждений или «починка» повреждений?
3.    К чему может привести остановка роста?
4.    Является ли старение побочным эффектом программы развития?
5.    Могут ли вычислительные модели помощь биологам?

Promislow

Даниэл ПРОМИСЛОУ

Дэниэл Промислоу (Университет Джорджии, отделение генетики) – специалист в области эволюционной генетики. Свой доклад профессор Промислоу начал с постановки вопросов, о «котрых молчит эволюция»:
1.    Какие гены с наибольшей вероятностью ассоциированы со старением?
2.    Почему определенные  функции организма дают сбой с возрастом быстрее, чем остальные?
Ответить на эти вопросы помогает изучение генных гетей. Сети должны:
1.    Давать описание процессам
2.    Обладать предсказательной силой
3.    Давать объяснение феноменам
В своей работе Дэниэл Промислоу уделяет большое внимание изменению экспрессии генов с возрастом. Почему некоторые гены обладают большой пластичностью (изменением активности), а некоторые – сохраняют активную экспрессию в не зависимости от того, насколько сильному стрессу подвергается организм? Профессор Промислоу отмечает, что чем более пластичен ген, тем больше он  имеет регуляторов. Подсети (модули) предоставляют информацию о корелляциях между генными сетями различных тканей и индивидумов. Целостность генных сетей падает с возрастом. Ученый рассматривает поведение модулей в качестве динамики определенных физиологических и поведенческих факторов организма. Такое упрощение может предсказать поведение реальных особенностей организма в ходе старения.

Kim

Сейнджан КИМ

Сейнджан Ким (Профессор Исследовательского Института Трансляционной Геномики, Аризона, США) рассказал о применении булеанового моделирования для описания биологических моделей. Предлагается описывать биологические процессы булеановыми функциями и на их основании строить модели. Особенный интерес вызывает взаимосвязь так называемых аттракторов (attractors) и резурвуаров (basins), где аттракторы – конечные стадии того или иного процесса (в данном случае – фенотипы клетки, ассоциированные со старением), а резервуары – те состояния, которые приводят к аттракторам. Существуют методы анализа предложенной модели, с помощью которых можно выделить ключевые детерминанты, которые определяют переход к тому или иному конечному состоянию-аттрактору даже в том случае, когда неочевидно, какая физическая генная сеть отвечает за данный переход.

Langley

Пэт ЛЭНГЛИ

Пэт Лэнгли (Профессор информатики в Государственном Университете Аризоны, консультирующий профессор Вычислительной математики Стэнфордского Университета) является одним из ведущих специалистов в области вычислительной биологии. Уже в течение некоторого времени профессор Лэнгли занимается математическим описанием процессов старения. В качестве основы он использует схему Джона Фурбера. В своем докладе он отметил недостатки этой схемы:
1.    Неформальная: нечеткая
2.    Инертная: необходим человек для интерпретации
3.    Статичная: ее нельзя изменить или улучшить простым путем
Для исключения этих недостатков при описании процессов старения необходимо использовать формальные утверждения и строить компьютерную модель на основании этих формальных утверждений. Инструменты, которые можно использовать при построении такой модели:
1.    Дифференциальные уравнения
2.    Булеановы сети
3.    Байессовы сеты
4.    Вычеслительное моделирование Куипера
Модель должна описывать:
1.    Место в клетке
2.    Численные характеристики, с помощью которых измеряются процессы
3.    Причинно-следственные связи между численными характеристиками
В качестве примера такой модели профессор Лэнгли представил лизосому. С помощью формальных выражений, которые могут быть поняты и интерпретированны компьютером описываются процессы, происходящие в лизосоме со старением. Существуют факты – наблюдаемые феномены и утверждения, которые человек вводит в компьютер, и на основании которых машина может в дальнейшем делать предположения о динамике системы в зависимости от изменения ее параметров. То есть компьютер может ответить на вопрос будет ли иметь место то или иное предположение человека о поведении лизосомы. Эта модель создана при помощи интернет технологий, что делает ее весьма доступной для большого числа исследователей. Идею профессора Лэнгли можно сформулировать как создание графической версии википедии, посвященной процессам старения. Похожие продукты для моделирования сложных систем: EcoSys, STELLA, BioBike.

Mattson

Марк МЭТТСОН

Марк Мэттсон (Национальный Институт Старения, Балтимор, Мэрилэнд) посвятил свой доклад рассмотрению влияния ограничения калорийности питания и режима голодания на функции головного мозга. Ограничение калорий вызывает стресс ответ в клетке, который в свою очередь приводит к повышенной или заниженной регуляции множества факторов. Профессор Мэттсон установил улучшение памяти и способности учиться у трансгенных мышей, подверженных болезни Альцгеймера, при снижении потребляемых калорий. Но режим периодического голодания приводит к лучшим результатам, чем простое снижение калорийности пищи в силу лучшей адаптации организма к стрессу. Однако голодание предотвращает повреждения мозга только у молодых мышей, у старых же эффект гораздо менее ярко выраженный. Профессор Мэттсон связывает положительный эффект на функции мозга упражнений и низкокалорийной диеты с увеличением количества синапсов в гипокампе. Как показали исследования, состояние 12 пациентов, страдающих астмой, улучшилось просле ограничения калорийности их рациона, а также анализы крови обнаружили уменьшение воспалительного статуса.

Lakatta

Эдвард ЛАКАТТА

Эдвард Лакатта (Национальный Институт Старения, Балтимор, Мэрилэнд) задал вопрос, является ли старение болезнью. В ходе своего доклада он привел 2 различные точки зрения. Первая гласит то, что старение и болезнь не являются синонимами, так как старение неизбежно, а болезни – нет. Однако далее профессор Лакатта привел следующую цепочку рассуждений: «старение является сдвигом реальности». «Реальность» по мнению профессора Лакатты является взаимосвязанной системой ДНК и окружающей среды. С возрастом изменяются:
1.    Сигналы
2.    Чувствительность к сигналам
3.    Передача сигналов
4.    Ответ на сигналы
Исследователи все разбивают на подсистемы, в то время как необходимо интегрировать и рассматривать общую картину. Старение и болезнь очень похожи, так как оба феномена являются сдвигами во взаимосвязях ДНК и окружающей среды. Профессор Лакатта исследует старение кровеносной системы. Его лаборатория определила Провоспалительный возраст зависимый секреторный фенотип, который является аналогичным Секреторному фенотипу старения фибробласт, который выделяет исследовательская группа Джудит Кампизи.

Ferrucci

Луиджи ФЕРРУЧЧИ

Луиджи Ферруччи (Национальный Институт Старения, Балтимор, Мэрилэнд) предлагает рассматривать возрастную потерю мышечной массы – саркопению – в качестве модели старения организма. На примере саркопении можно показать действие нескольких механизмов старения. Особенное внимание профессор Ферруччи уделил воспалению, как одному из ключевых механизмов, дающих вклад в старение организма и развитие саркопении. Умеренный проинфламаторный статус ткани, вероятно, является основной причиной возникновения данной патологии.

Bohmann

Дирк БОМАНН

Дирк Боманн (Университет Рочестера, штат Нью-Йорк) предложил рассмотреть системную биологию старения как взаимодействие сетей метаболических путей, регулирующих ответ на окислительный стресс. По мнению профессора Боманна ключ к продлению жизни лежит в уменьшении оксидативного стресса. Об этом нам говорят эксперименты со снижением калорийности пищи, температуры и инсулин/IGF сигналлинга. Эти вмешательства снижают окислительный стресс и дают положительный эффект на продолжительность жизни. Доктор Боманн предлагает рассматривать следующую систему:
1.    Молекулы (АФК, супероксид дисмутаза, каталаза, инди, глутатион, сиртуины, etc.)
2.    Метаболические пути (JNK, NRF2, инсулин/IGF, etc.)
3.    Сети (взаимодействия метаболических путей)
4.    Системная биология старения

Kriete

Андреас КРИТ

Научная работа Андреаса Крита (Университет Дрекселя, Пенсильвания, США) нацелена на создание интегрированного экспериментального и вычислительного подхода к разработке компьютерной модели старения клетки. Профессор Крит описал замкнутый рабочий процесс системной биологии: экспериментальные данные инициируют создание концептуальных и графических основ, которые после математической формализации превращаются в вычичлительные инструменты, которые в свою очередь после симуляции или моделирования дают новые экспериментальные данные. Поскольку данные, с помощью которых описываются биологические объекты мультимодальные, необходима интегрированная модель (рассматривается клеточный уровень). В основе предлагаемой концептуальной основы лежит рассмотрение элементов (мотивов) петель обратных связей. Способ обработки данных – использование нечеткой логики. С помощью таких моделей можно описывать, например, замкнутый круг митохондрия-активные формы кислорода или воспаление.

Germaine

Рональд ГЕРМЭЙН

Рональд Гермэйн (Национальный Институт Аллергии и Инфекционных Заболеваний, Бевезда, Мэрилэнд) отметил необходимость перехода от знания к пониманию и возможности предсказывать. То есть необходимо:
1.    Понимание фундаментальных мехаизмов
2.    Объединение данных геномики с физиологией и патологиями
3.    Оптимальный выбор профилактических и терапевтических мишеней Профессор Гермэйн учавствует в Программе моделирования системной иммунологии и инфекционных заболеваний (Progam in Systems Immunology and Infectious Disease Modeling, PSIIM). Объединение данных, полученных в таких областях, как протеомика, клеточная/молекулярная биология, компьютерное моделирование/симуляция, геномика, биоинформатика, иммунология (исследования в области старения, собственно, любая специальная область), позволит создать предсказательные модели. В качестве программного продукта предлагается использовать Simmune – набор инструментов, позволяющий моделировать сигнальные и метаболические пути и другие биологические феномены.

Продукт позволяет:
1.    Соединять базы данных
2.    Отслеживать поток информации
3.    Обеспечивать многопользовательский доступ к базам данных (Wiki-моделирование)
4.    Создавать стохастические симуляции

Konovalenko

Мария КОНОВАЛЕНКО

Конференцию завершила дискуссия докладчиков и приглашенных гостей. В качестве ведущего выступил Джон Фурбер. Мария Коноваленко открыла обсуждение презентацией, посвященной необходимости создания системного подхода в биологии старения. Аудитории было задано несколько простых вопросов:
1.    Какой подход системный, а какой нет?
2.    Что делать, если подходов много?
3.    Какие системные подходы в биологии старения мы знаем?
4.    С чего нам стоит начать?
5.    Чего мы можем достичь?

Также были предложены варианты ответов:
1.    Системный подход должен быть полным на данный момент времени. Необходимо учесть все аспекты столь сложного феномена как старение человека.
2.    Существующие подходы необходимо интегрировать.
3.    Приоритетный подход, инженерный, проблемно-ориентированный, подход выявления фундаментальных закономерностей, метод перебора, тотальный подход, регенеративная медицина.
4.    Отправной точкой может послужить классификация фактов биологии старения, выявление достоверных, вероятных и сомнительных утверждений.
5.    Важнейшим результатом работы может стать создание дорожной карты (плана действий) биологии старения.

Каждый раздел должен содержать в себе:
1. Описание совокупности процессов, рассматриваемых в данном разделе.
2. Достоверные факты из данной области (в том числе с классификацией по степени достоверности)
3. Основные вопросы в данной области биологии
4. Направления исследований
5. Возможные вмешательства, разработка практикопремимых технологий

К каким выводам мы пришли по результатам симпозиума?
1. Единого общепринятого системного подхода в биологии старения нет и близко.
2. Эта отрасль вообще не финансируется. Так, например, Пэту Ленгли требуется 18000$ в год на зарплату программисту, который был сделал динамическую модель схемы Фубера. Да-к, вот этих денег пока нет.

3. Крайне необходим круглый стол, дискуссия по системной биологии старения.

Copyright © 2009-2010 Благотоворительный фонд поддержки научных исследований «Наука за продление жизни»