Вычислительный ген

Рисунок 1: Дизайн вычислительного гена

Вычислительный ген ^[1]^[2]^[3] представляет собой молекулярный автомат , состоящий из структурной части и функциональной части; и его конструкция такова, что он может работать в сотовой среде.

Структурная часть - это встречающийся в природе ген , который используется в качестве скелета для кодирования входных данных и переходов автомата (рис. 1А). Консервативные характеристики структурного гена (например, сайт связывания ДНК-полимеразы , стартовые и стоп- кодоны и сайты сплайсинга) служат константами вычислительного гена, в то время как кодирующие области, количество экзонов и интронов, положение стартового и стоп-кодона и теоретические переменные автомата (символы, состояния и переходы) являются проектными параметрами вычислительного гена. Константы и параметры дизайна связаны несколькими логическими и биохимическими ограничениями (например, закодированные автоматные теоретические переменные не должны распознаваться как стыки сращивания). На вход автомата поступают молекулярные маркеры, задаваемые молекулами одноцепочечной ДНК (оцДНК). Эти маркеры сигнализируют об аберрантном (например, канцерогенном) молекулярном фенотипе и включают самосборку функционального гена. Если ввод принят, вывод кодирует молекулу двухцепочечной ДНК (дцДНК), функциональный ген, который должен быть успешно интегрирован в клеточную транскрипцию иаппарат трансляции, продуцирующий белок дикого типа или анти-лекарственное средство (рис. 1B). В противном случае отклоненный ввод будет собираться в молекулу частично дцДНК, которая не может быть транслирована.

Возможное применение: диагностика и лечение рака in situ.

Вычислительные гены могут быть использованы в будущем для исправления аберрантных мутаций в гене или группе генов, которые могут запускать фенотипы болезни. ^[4] Одним из наиболее ярких примеров является ген супрессора опухолей p53 , который присутствует в каждой клетке и действует как охранник, контролирующий рост. Мутации в этом гене могут нарушить его функцию, вызывая неконтролируемый рост, который может привести к раку . ^[5] Например, мутация в кодоне 249 в белке p53 характерна для гепатоцеллюлярного рака . ^[6] Это заболевание можно лечить с помощью пептида CDB3, который связывается с коровым доменом р53 и стабилизирует его складку. ^[7]

Затем можно диагностировать и лечить единственную мутацию, связанную с заболеванием, с помощью следующего диагностического правила:

if protein X_mutated_at_codon_Y then produce_drug fi (1)

Рисунок 2: Диагностика патогенных мутаций

Рисунок 3: Терапия патогенных мутаций

Такое правило может быть реализовано молекулярным автоматом, состоящим из двух частично молекул дцДНК и одной молекулы оцДНК, которая соответствует мутации, связанной с заболеванием, и обеспечивает молекулярный переключатель для линейной самосборки функционального гена (рис. 2). Структура гена дополняется клеточной лигазой, присутствующей как в эукариотических, так и в прокариотических клетках . Аппарат транскрипции и трансляции клетки отвечает за терапию и вводит либо белок дикого типа, либо анти-лекарственное средство (рис. 3). Правило (1) может быть даже обобщено, чтобы включать мутации из разных белков, что позволяет сочетать диагностику и терапию.

Таким образом, вычислительные гены могут позволить проводить терапию in situ, как только клетка начинает вырабатывать дефектный материал. Вычислительные гены сочетают в себе методы генной терапии, которые позволяют заменить в геноме аберрантный ген его здоровым аналогом, а также подавить экспрессию гена (аналогично антисмысловой технологии ).

Вызовы

Хотя с механической точки зрения это просто и довольно надежно на молекулярном уровне, необходимо решить несколько вопросов, прежде чем можно будет рассматривать реализацию вычислительных генов in vivo .

Во-первых, материал ДНК должен быть интернализован в клетку, особенно в ядро . Фактически, перенос ДНК или РНК через биологические мембраны является ключевым этапом доставки лекарств . ^[8] Некоторые результаты показывают, что сигналы ядерной локализации могут быть необратимо связаны с одним концом олигонуклеотидов , образуя конъюгат олигонуклеотид-пептид, который позволяет эффективно интернализовать ДНК в ядре. ^[9]

Кроме того, комплексы ДНК должны обладать низкой иммуногенностью, чтобы гарантировать их целостность в клетке и их устойчивость к клеточным нуклеазам . Современные стратегии устранения чувствительности к нуклеазам включают модификации основы олигонуклеотидов, такие как метилфосфонат ^[10] и фосфоротиоат (S-ODN) олигодезоксинуклеотиды, ^[11], но наряду с их повышенной стабильностью модифицированные олигонуклеотиды часто имеют измененные фармакологические свойства. ^[12]

Наконец, как и любое другое лекарство, комплексы ДНК могут вызывать неспецифические и токсические побочные эффекты. Применение антисмысловых олигонуклеотидов in vivo показало, что токсичность в значительной степени обусловлена примесями в препарате олигонуклеотидов и отсутствием специфичности конкретной используемой последовательности. ^[13]

Несомненно, прогресс в области антисмысловой биотехнологии также принесет прямую пользу модели вычислительных генов. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

Биокомпьютеры
Циклическая ферментная система
ДНК-вычисления
Конечный автомат
Молекулярная электроника
Нанобиотехнологии
Наномедицина

использованная литература

^ Мартинес-Перес, Израиль М; Чжан, Гонг; Игнатова Зоя; Циммерманн, Карл-Хайнц (2007). «Вычислительные гены: инструмент для молекулярной диагностики и терапии аберрантного мутационного фенотипа» . BMC Bioinformatics . 8 : 365. DOI : 10,1186 / 1471-2105-8-365 . PMC 2175521 . PMID 17903261 .
^ Патент DE 102006009000 , Zimmermann, Karl-Heinz; Игнатова, Зоя и Мартинес-Перес, Исраэль Марк, «Реченген [компьютерный ген]», опубликовано 6 сентября 2007 г.
Перейти ↑ Martinez-Perez, IM (2007). Биомолекулярные вычислительные модели для задач с графами и конечных автоматов (кандидатская диссертация). Гамбург, Германия: Гамбургский технологический университет. ISBN 978-3-86664-326-0.^{[ требуется страница ]}
↑ «Умные вакцины» - Форма грядущих событий. Архивировано 13 марта 2009 г. в Wayback Machine Research Interests, Джошуа Э. Мендоза-Элиас^{[ самостоятельно опубликованный источник? ]}
^ Montesano, R .; Hainaut, P .; Уайлд, CP (1997). «Гепатоцеллюлярная карцинома: от гена к общественному здравоохранению» . Журнал JNCI Национального института рака . 89 (24): 1844–51. DOI : 10.1093 / jnci / 89.24.1844 . PMID 9414172 .
^ Джексон, ЧП; Kuang, SY; Wang, JB; Стрикленд, штат PT; Муньос, А; Кенслер, TW; Qian, GS; Groopman, JD (2003). «Перспективное обнаружение мутации кодона 249 в плазме больных гепатоцеллюлярной карциномой» . Канцерогенез . 24 (10): 1657–63. DOI : 10,1093 / carcin / bgg101 . PMID 12869416 .
^ Фридлер, Ассаф; Hansson, Lars O .; Вепринцев Дмитрий Б .; Фройнд, Стефан М.В.; Риппин, Томас М .; Николова, Пенка В .; Проктор, Марк Р .; Рюдигер, Стефан; Фершт, Алан Р. (2002). «Пептид, который связывает и стабилизирует коровой домен p53: стратегия шаперона для спасения онкогенных мутантов» . Труды Национальной академии наук . 99 (2): 937–42. Bibcode : 2002PNAS ... 99..937F . DOI : 10.1073 / pnas.241629998 . JSTOR 3057669 . PMC 117409 . PMID 11782540 .
^ Ламберт, Грегори; Фаттал, Элиас; Куврёр, Патрик (2001). «Системы наночастиц для доставки антисмысловых олигонуклеотидов». Расширенные обзоры доставки лекарств . 47 (1): 99–112. DOI : 10.1016 / S0169-409X (00) 00116-2 . PMID 11251248 .
^ Zanta, Мария Антуанетта; Бельгиз-Валладье, Паскаль; Бер, Жан-Поль (1999). «Доставка гена: пептид сигнала одиночной ядерной локализации достаточен для переноса ДНК в ядро клетки» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (1): 91–6. Bibcode : 1999PNAS ... 96 ... 91Z . DOI : 10.1073 / pnas.96.1.91 . JSTOR 47127 . PMC 15098 . PMID 9874777 .
^ Миллер, PS; Ц'О, ПО (1987). «Новый подход к химиотерапии, основанный на молекулярной биологии и химии нуклеиновых кислот: Матаген (малярная лента для экспрессии генов)». Дизайн противораковых лекарств . 2 (2): 117–28. PMID 3329522 .
^ Stec, Wojciech J .; Зон, Джеральд; Иган, Уильям (1984). «Автоматизированный твердофазный синтез, разделение и стереохимия фосфоротиоатных аналогов олигодезоксирибонуклеотидов». Журнал Американского химического общества . 106 (20): 6077–9. DOI : 10.1021 / ja00332a054 .
^ Брыш, Вольфганг; Шлингензипен, Карл-Герман (1994). «Дизайн и применение антисмысловых олигонуклеотидов в культуре клеток, in vivo и в качестве терапевтических агентов». Клеточная и молекулярная нейробиология . 14 (5): 557–68. DOI : 10.1007 / BF02088837 . PMID 7621513 . S2CID 5836570 .
^ Лебедева, Ирина; Стейн, Калифорния (2001). «Антисмысловые олигонуклеотиды: обещание и реальность». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 41 : 403–19. DOI : 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.403 . PMID 11264463 .

[1] Мартинес-Перес, Израиль М; Чжан, Гонг; Игнатова Зоя; Циммерманн, Карл-Хайнц (2007). «Вычислительные гены: инструмент для молекулярной диагностики и терапии аберрантного мутационного фенотипа» . BMC Bioinformatics . 8 : 365. DOI : 10,1186 / 1471-2105-8-365 . PMC 2175521 . PMID 17903261 .

[2] Патент DE 102006009000 , Zimmermann, Karl-Heinz; Игнатова, Зоя и Мартинес-Перес, Исраэль Марк, «Реченген [компьютерный ген]», опубликовано 6 сентября 2007 г.

[3] Перейти ↑ Martinez-Perez, IM (2007). Биомолекулярные вычислительные модели для задач с графами и конечных автоматов (кандидатская диссертация). Гамбург, Германия: Гамбургский технологический университет. ISBN 978-3-86664-326-0.^{[ требуется страница ]}

[4] «Умные вакцины» - Форма грядущих событий. Архивировано 13 марта 2009 г. в Wayback Machine Research Interests, Джошуа Э. Мендоза-Элиас^{[ самостоятельно опубликованный источник? ]}

[5] Montesano, R .; Hainaut, P .; Уайлд, CP (1997). «Гепатоцеллюлярная карцинома: от гена к общественному здравоохранению» . Журнал JNCI Национального института рака . 89 (24): 1844–51. DOI : 10.1093 / jnci / 89.24.1844 . PMID 9414172 .

[6] Джексон, ЧП; Kuang, SY; Wang, JB; Стрикленд, штат PT; Муньос, А; Кенслер, TW; Qian, GS; Groopman, JD (2003). «Перспективное обнаружение мутации кодона 249 в плазме больных гепатоцеллюлярной карциномой» . Канцерогенез . 24 (10): 1657–63. DOI : 10,1093 / carcin / bgg101 . PMID 12869416 .

[7] Фридлер, Ассаф; Hansson, Lars O .; Вепринцев Дмитрий Б .; Фройнд, Стефан М.В.; Риппин, Томас М .; Николова, Пенка В .; Проктор, Марк Р .; Рюдигер, Стефан; Фершт, Алан Р. (2002). «Пептид, который связывает и стабилизирует коровой домен p53: стратегия шаперона для спасения онкогенных мутантов» . Труды Национальной академии наук . 99 (2): 937–42. Bibcode : 2002PNAS ... 99..937F . DOI : 10.1073 / pnas.241629998 . JSTOR 3057669 . PMC 117409 . PMID 11782540 .

[8] Ламберт, Грегори; Фаттал, Элиас; Куврёр, Патрик (2001). «Системы наночастиц для доставки антисмысловых олигонуклеотидов». Расширенные обзоры доставки лекарств . 47 (1): 99–112. DOI : 10.1016 / S0169-409X (00) 00116-2 . PMID 11251248 .

[9] Zanta, Мария Антуанетта; Бельгиз-Валладье, Паскаль; Бер, Жан-Поль (1999). «Доставка гена: пептид сигнала одиночной ядерной локализации достаточен для переноса ДНК в ядро клетки» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (1): 91–6. Bibcode : 1999PNAS ... 96 ... 91Z . DOI : 10.1073 / pnas.96.1.91 . JSTOR 47127 . PMC 15098 . PMID 9874777 .

[10] Миллер, PS; Ц'О, ПО (1987). «Новый подход к химиотерапии, основанный на молекулярной биологии и химии нуклеиновых кислот: Матаген (малярная лента для экспрессии генов)». Дизайн противораковых лекарств . 2 (2): 117–28. PMID 3329522 .

[11] Stec, Wojciech J .; Зон, Джеральд; Иган, Уильям (1984). «Автоматизированный твердофазный синтез, разделение и стереохимия фосфоротиоатных аналогов олигодезоксирибонуклеотидов». Журнал Американского химического общества . 106 (20): 6077–9. DOI : 10.1021 / ja00332a054 .

[12] Брыш, Вольфганг; Шлингензипен, Карл-Герман (1994). «Дизайн и применение антисмысловых олигонуклеотидов в культуре клеток, in vivo и в качестве терапевтических агентов». Клеточная и молекулярная нейробиология . 14 (5): 557–68. DOI : 10.1007 / BF02088837 . PMID 7621513 . S2CID 5836570 .

[13] Лебедева, Ирина; Стейн, Калифорния (2001). «Антисмысловые олигонуклеотиды: обещание и реальность». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 41 : 403–19. DOI : 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.403 . PMID 11264463 .

[1]