3D görselleştirme modeli metabolizmayı inceleyebilir! "Science-Signal Transduction" kapağındaki kağıt
Ortaokul biyoloji ders kitabındaki insan metabolizmasının şematik diyagramını hatırlıyor musunuz?
Karmaşık görünmüyor, ancak araştırması yıllardır bilim adamlarını rahatsız eden bir sorun oldu. Son zamanlarda, bilim adamları metabolizmayı daha iyi incelemek için etkileşimli bir 2D / 3D görselleştirme modeli oluşturdular.
24 Mart 2020 yerel saatiyle İsveç'teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi'nden Jonathan L. Robinson ekibi, Science Signaling dergisinde İnsan metabolizmasının atlası adlı çevrimiçi bir yayın yayınladı. "İnsan 1" in araştırma sonuçları, tarihteki en eksiksiz metabolik modeli ve onun insan metabolik soyağacını sistematik olarak gösteren destek portalı Metabolik Atlas'ı oluşturmuştur.
Bu başarının derginin kapağında da yer aldığını belirtmekte fayda var.
"Kendi kendine yeten iki fraksiyonun" genom ölçekli metabolik modeli
Sözde metabolizma, vücut ve çevre arasındaki malzeme ve enerji alışverişinin yanı sıra, anabolizma (asimilasyon) ve katabolizma (yabancılaşma) dahil olmak üzere organizmada materyallerin ve enerjinin kendini yenileme sürecini ifade eder. Basitçe söylemek gerekirse, metabolizma eski maddeleri yenileriyle değiştirmektir.
Aslında metabolizma, hücrelerin bir işlevi ve bir kişinin canlılığının bir simgesidir. Metabolizma anormal ise obezite, şeker hastalığı, yüksek tansiyon, kalp hastalığı ve kanser gibi birçok sağlık sorununa neden olabilir. Şu anda, doktorlar hastalıkları esas olarak hastaların kanındaki ve idrarındaki metabolik belirteçleri tarayarak teşhis ediyor ve araştırmacılar ayrıca hastalık tedavisi için hedeflenen metabolik süreçler hakkında ilgili araştırmalar yapmaya başladılar.
Lei Feng.com, binlerce metabolizmayı aynı anda ölçmenin artık mümkün olduğunu öğrendi, ancak insan hücrelerindeki metabolizmayı bir bütün olarak anlamak kolay değil.
Bilim adamları tarafından önerilen strateji, Saccharomyces cerevisiae ve E. coli'yi içeren endüstriyel uygulamalarda kullanılan, metabolizmayı anlamayı ve yeni hücresel hedefler (biyoyakıtlar gibi) tasarlamayı amaçlayan genom ölçekli metabolik modeller (GEM'ler) oluşturmaktır. Üretim) ve artan verim, insan metabolizmasının temelini tam olarak anlamamızın ve omik verilerinin kapsamlı analizi için bir çerçeve sağlamamızın yollarıdır.
2005 gibi erken bir tarihte, bilim adamları GEM'i inşa etmek için uzun bilimsel araştırma yoluna başladılar. Tüm çabalar "Recon1" ve "Edinburgh İnsan Metabolizma Ağı" (EHMN) geliştirilmesiyle başladı.
İkisini, iki bağımsız model serisinin - Recon serisi (Recon1, 2 ve 3D dahil) ve HMR serisinin (HMR1 ve 2 dahil) "yaratıcısı" olarak anlayabiliriz. Güncelleme sırasında büyük miktarda birbiriyle birleştirilen bu iki model serisi, hastalıklar, şeker hastalığı, yağlı karaciğer ve kanser tedavisinde kullanılmıştır.
Tarihteki en eksiksiz metabolik model
Bununla birlikte, yukarıdaki iki model serisinde bile, GEM'in daha da geliştirilmesi hala zorluklarla karşı karşıyadır:
-
Genler, metabolitler ve reaksiyonlar için standart olmayan tanımlayıcıların kullanılması;
-
Model bileşenlerinin kopyalanması;
-
Önceki model yinelemesindeki hatalar;
-
Model güncellemeleri opaktır ve koordine edilmesi zordur.
Aslında, bu zorluklar Jonathan L. Robinson ekibinin Araştırma başlangıç noktası .
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, ekip yepyeni, tartışmasız tarihteki en eksiksiz GEM soyağacı olan Human1 ve Human1, yukarıda bahsedilen Recon ve HMR model serilerinin entegre edilmesi ve yönetilmesiyle elde edilmiştir.
Leifeng.com, tüm güncellemeleri takip etmek için tüm Human1 geliştirme sürecinin sistematik olarak GitHub deposunda yürütüldüğünü öğrendi.
Spesifik olarak, bu süreç büyük bir projedir - Recon ve HMR'nin iki model soyunu entegre etmek için, araştırma ekibi 8185 yinelenen reaksiyonu ve 3215 yinelenen metabolitleri sildi, 2016 metabolit formüllerini revize etti ve 3226'yı yeniden oluşturdu. Reaksiyon denklemleri, reaksiyonların 83 geri döndürülebilirliği düzeltildi ve 576 tutarsız / gereksiz reaksiyon devre dışı bırakıldı / silindi.
2D / 3D etkileşimli
Ek olarak, İnsan1'in çok yönlülüğünü ve tahmin doğruluğunu kanıtlamak için araştırmacılar, 33 tümör ve 53 sağlıklı dokunun transkripsiyon verilerini kapsamlı bir şekilde analiz etti, 620'den fazla farklı hücre tipini içeren genetik önem çalışmaları gerçekleştirdi ve Human1'i kullandı. Enzim kısıtlamalı GEM (ecGEM), NCI-60 hücre hattının besin değişimini ve büyüme oranını tahmin eder.
Aynı zamanda Human1, sınırlı akı bilgisi verildiğinde hücre büyümesini ve metabolit değişim oranlarını doğru bir şekilde simüle edebilir.
Araştırma ekibinin Human1'e ekli Metabolic Atlas portalını oluşturduğunu belirtmek gerekir.
Aşağıdaki şekil, insan vücudundaki 6793 non-transport / non-exchange reaksiyonu (% 90), 4027 metabolitini (% 97) ve 3316 geni (% 91) kapsayan, elle çizilmiş iki boyutlu bir haritadır. Bu haritalar, İnsan Protein Atlasından (HPA) alınan transkripsiyon verileriyle entegre edilmiştir ve 37 farklı doku tipinden gen ekspresyon seviyeleri, transkripsiyon verilerinin üzerine eklenebilir.
Aşağıda 3D atlasın bir ekran görüntüsü verilmiştir.
3D efekt damgası bağlantısı:
https://www.metabolicatlas.org/explore/map-viewer/human1/compartment/golgi_appechan?dim=3d
Bu web sitesini kullanarak, diğer araştırma ekipleri İnsan1'in içeriğini daha da keşfedebilir ve görselleştirmeyi daha da geliştirmek için kendi transkripsiyon verilerini yükleyebilir.
Araştırma sonuçlarının insan sağlığı ve hastalıkları ile ilgili metabolik yolları modelleme yeteneğini geliştirdiği ve ilgili araştırmacılara insan genomunun metabolik modelini daha da geliştirme fırsatı sağladığı ve gelecekte insan sağlığı ve hastalığı haline geleceği görülmektedir. Araştırma için paylaşılan kaynaklar.
Referans malzemeleri:
https://baike.baidu.com/item/%E6%96%B0%E9%99%88%E4%BB%A3%E8%B0%A2/108770?fr=aladdin
https://stke.sciencemag.org/content/13/624/eaaz1482
https://www.metabolicatlas.org/
Lei Feng
