Вычислительный ген
ген Вычислительный [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 представляет собой природный ген , который используется в качестве скелета для кодирования входных данных и переходов автомата (рис. 1А). Консервативные особенности структурного гена (например, ДНК-полимеразы сайт связывания , стартовые и стоп- кодоны , сайты сплайсинга) служат константами вычислительного гена, тогда как кодирующие области, количество экзонов и интронов , положение старт- и стоп-кодонов кодон, а теоретические переменные автомата (символы, состояния и переходы) являются параметрами конструкции вычислительного гена. Константы и параметры конструкции связаны несколькими логическими и биохимическими ограничениями (например, закодированные теоретические переменные автоматов не должны распознаваться как сплайсинговые соединения). На вход автомата подаются молекулярные маркеры, заданные молекулами одноцепочечной ДНК (оцДНК). Эти маркеры сигнализируют об аберрантном (например, канцерогенном) молекулярном фенотипе и запускают самосборку функционального гена. Если входные данные принимаются, выходные данные кодируют молекулу двухцепочечной ДНК (дцДНК), функциональный ген, который должен быть успешно интегрирован в клеточную структуру. Механизм транскрипции и трансляции, дикого типа производящий белок или антилекарство (рис. 1B). В противном случае отклоненный входной сигнал будет собран в частично молекулу дцДНК, которую невозможно будет транслировать.
Возможное применение: in situ диагностика и терапия рака.
[ редактировать ]Вычислительные гены могут быть использованы в будущем для исправления аберрантных мутаций в гене или группе генов, которые могут вызывать фенотипы заболеваний. [4] [ самостоятельно опубликованный источник? ] Одним из наиболее ярких примеров является ген-супрессор опухолей р53 , который присутствует в каждой клетке и действует как защита, контролирующая рост. Мутации в этом гене могут нарушить его функцию, что приведет к неконтролируемому росту, который может привести к раку . [5] Например, мутация кодона 249 в белке р53 характерна для гепатоцеллюлярного рака . [6] Это заболевание можно лечить с помощью пептида CDB3, который связывается с основным доменом р53 и стабилизирует его складку. [7]
Затем можно диагностировать и лечить одну мутацию, связанную с заболеванием, с помощью следующего диагностического правила:
if protein X_mutated_at_codon_Y then produce_drug fi(1)
Такое правило может быть реализовано с помощью молекулярного автомата, состоящего из двух частично молекул дцДНК и одной молекулы оцДНК, что соответствует мутации, связанной с заболеванием, и обеспечивает молекулярный переключатель для линейной самосборки функционального гена (рис. 2). Структура гена завершается клеточной лигазой, присутствующей как в эукариотических , так и в прокариотических клетках . Затем механизм транскрипции и трансляции клетки отвечает за терапию и вводит либо белок дикого типа, либо антилекарство (рис. 3). Правило (1) можно даже обобщить, включив в него мутации различных белков, что позволяет сочетать диагностику и терапию.
Таким образом, вычислительные гены могут позволить реализовать in situ терапию , как только клетка начнет вырабатывать дефектный материал. Вычислительные гены сочетают в себе методы генной терапии , которые позволяют заменить в геноме аберрантный ген его здоровым аналогом, а также заставить замолчать экспрессию гена (аналогично антисмысловой технологии ).
Проблемы
[ редактировать ]Несмотря на механическую простоту и довольно надежность на молекулярном уровне, необходимо решить несколько проблем, прежде чем in vivo можно будет рассматривать реализацию вычислительных генов .
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 один конец олигонуклеотидов , образуя конъюгат олигонуклеотид-пептид, который обеспечивает эффективную интернализацию ДНК в ядро. [9]
Кроме того, комплексы ДНК должны обладать низкой иммуногенностью , чтобы гарантировать их целостность в клетке и устойчивость к клеточным нуклеазам . Современные стратегии устранения чувствительности к нуклеазам включают модификации олигонуклеотидного остова, такие как метилфосфонат. [10] и фосфоротиоатные (S-ODN) олигодезоксинуклеотиды, [11] но наряду с 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 во многом обусловлена примесями в препарате олигонуклеотидов и отсутствием специфичности конкретной используемой последовательности. [13]
Несомненно, прогресс в области антисмысловой биотехнологии также приведет к это прямая выгода для модели вычислительных генов. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]- Биокомпьютеры
- Циклическая ферментная система
- ДНК-вычисления
- Конечный автомат
- Молекулярная электроника
- Нанобиотехнологии
- Наномедицина
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мартинес-Перес, Израиль М; Чжан, Гун; Игнатова, Зоя; Циммерманн, Карл-Хайнц (2007). «Вычислительные гены: инструмент молекулярной диагностики и терапии аберрантного мутационного фенотипа» . БМК Биоинформатика . 8 : 365. дои : 10.1186/1471-2105-8-365 . ПМК 2175521 . ПМИД 17903261 .
- ^ патент DE 102006009000 , Циммерманн, Карл-Хайнц; Игнатова, Зоя и Мартинес-Перес, Исраэль Марк, «Rechengen [Компьютерный ген]», опубликовано 6 сентября 2007 г.
- ^ Мартинес-Перес, IM (2007). Биомолекулярные вычислительные модели для задач на графах и конечных автоматов (кандидатская диссертация). Гамбург, Германия: Гамбургский технологический университет. ISBN 978-3-86664-326-0 . [ нужна страница ]
- ^ «Умные вакцины» - Форма будущего. Архивировано 13 марта 2009 г., в исследовательских интересах Wayback Machine , Джошуа Э. Мендоса-Элиас.
- ^ Монтесано, Р.; Эно, П.; Уайлд, КП (1997). «Гепатоцеллюлярная карцинома: от гена к общественному здравоохранению» . Журнал JNCI Национального института рака . 89 (24): 1844–51. дои : 10.1093/jnci/89.24.1844 . ПМИД 9414172 .
- ^ Джексон, ЧП; Куанг, Ю.Ю.; Ван, Дж.Б.; Стрикленд, штат Пенсильвания; Муньос, А; Кенслер, ТВ; Цянь, Г.С.; Групман, доктор медицинских наук (2003). «Проспективное обнаружение мутаций кодона 249 в плазме пациентов с гепатоцеллюлярной карциномой» . Канцерогенез . 24 (10): 1657–63. дои : 10.1093/carcin/bgg101 . ПМИД 12869416 .
- ^ Фридлер, Ассаф; Ханссон, Ларс О.; Вепринцев Дмитрий Борисович; Фройнд, Стефан М.В.; Риппин, Томас М.; Николова, Пенка В.; Проктор, Марк Р.; Рюдигер, Стефан; Фершт, Алан Р. (2002). «Пептид, который связывает и стабилизирует основной домен р53: стратегия шаперонов для спасения онкогенных мутантов» . Труды Национальной академии наук . 99 (2): 937–42. Бибкод : 2002PNAS...99..937F . дои : 10.1073/pnas.241629998 . JSTOR 3057669 . ПМК 117409 . ПМИД 11782540 .
- ^ Ламберт, Грегори; Фаттал, Элиас; Куврёр, Патрик (2001). «Наночастичные системы доставки антисмысловых олигонуклеотидов». Обзоры расширенной доставки лекарств . 47 (1): 99–112. дои : 10.1016/S0169-409X(00)00116-2 . ПМИД 11251248 .
- ^ Занта, Мария Антониетта; Бельгиз-Валадье, Паскаль; Бер, Жан-Поль (1999). «Доставка гена: одного сигнального пептида ядерной локализации достаточно для переноса ДНК в ядро клетки» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (1): 91–6. Бибкод : 1999PNAS...96...91Z . дои : 10.1073/pnas.96.1.91 . JSTOR 47127 . ПМК 15098 . ПМИД 9874777 .
- ^ Миллер, PS; Цо, П.О. (1987). «Новый подход к химиотерапии, основанный на молекулярной биологии и химии нуклеиновых кислот: Матаген (малярная лента для экспрессии генов)». Разработка противораковых препаратов . 2 (2): 117–28. ПМИД 3329522 .
- ^ Стек, Войцех Дж.; Зон, Джеральд; Иган, Уильям (1984). «Автоматизированный твердофазный синтез, разделение и стереохимия фосфоротиоатных аналогов олигодезоксирибонуклеотидов». Журнал Американского химического общества . 106 (20): 6077–9. дои : 10.1021/ja00332a054 .
- ^ Бриш, Вольфганг; Шлингензипен, Карл-Германн (1994). «Разработка и применение антисмысловых олигонуклеотидов в культуре клеток, in vivo и в качестве терапевтических средств». Клеточная и молекулярная нейробиология . 14 (5): 557–68. дои : 10.1007/BF02088837 . ПМИД 7621513 . S2CID 5836570 .
- ^ Лебедева Ирина; Штейн, Калифорния (2001). «Антисмысловые олигонуклеотиды: обещание и реальность». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 41 : 403–19. doi : 10.1146/annurev.pharmtox.41.1.403 . ПМИД 11264463 .