生物學(xué)家逐個(gè)細(xì)胞開發(fā)完整動(dòng)物的3D計(jì)算機(jī)模型
人類疾病是網(wǎng)絡(luò)疾病,“弗吉尼亞大學(xué)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)助理教授Eyleen O'Rourke說。通過這一點(diǎn),她意味著我們的基因,細(xì)胞,組織和器官都相互作用并相互影響,作為一個(gè)高度復(fù)雜的實(shí)體網(wǎng)絡(luò),結(jié)合環(huán)境 - 定義為我們的飲食,健康習(xí)慣和其他因素 - 決定我們的身體是否是受疾病影響,以及他們?nèi)绾螒?yīng)對用于治療各種疾病的藥物。
“例如,囊性纖維化引起基因的相同突變可能意味著一個(gè)人的預(yù)期壽命不到20年,但其他人的癥狀輕微,”O'Rourke說。“這是因?yàn)樵S多其他因素 - 通常被誤解的因素 - 在構(gòu)成我們身體的基因,細(xì)胞和組織網(wǎng)絡(luò)中的影響,以及我們與環(huán)境的相互作用,定義了突變可能會(huì)或可能不會(huì)發(fā)生的變化。網(wǎng)絡(luò)也是影響各種疾病治療對特定個(gè)體的影響。“
為了更好地了解復(fù)雜的疾病,O'Rourke和UVA,哈佛醫(yī)學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校的同事團(tuán)隊(duì)計(jì)劃創(chuàng)建第一個(gè)整個(gè)活體動(dòng)物的三維計(jì)算機(jī)模型 - 在這種情況下,一種廣泛研究的蠕蟲具有相對簡單的細(xì)胞系統(tǒng),由20種細(xì)胞類型和約20,000種基因組成。
O'Rourke及其同事正致力于模擬秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)的相對簡單的生物體,是在細(xì)胞水平上研究遺傳學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的優(yōu)秀系統(tǒng)。超過60%的基因與人類基因的功能基本相同。
O'Rourke領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)將挖掘出一種胰島素抵抗和肥胖的蠕蟲病毒的全基因組。它們將在每種細(xì)胞類型中一次一個(gè)地滅活這種動(dòng)物的所有20,000個(gè)基因,并且還改變飲食。通過這種方式,他們將定義在該模型系統(tǒng)中允許或引起代謝疾病的網(wǎng)絡(luò)變化。然后,該數(shù)據(jù)將用于生成具有單細(xì)胞細(xì)節(jié)的動(dòng)物代謝的第一計(jì)算機(jī)模型。
“通過對這種簡單的線蟲建模,我們將首次了解遺傳變化如何與不同的環(huán)境相結(jié)合,決定健康或疾病,”O'Rourke說。
此外,通過構(gòu)建這種蠕蟲模型,該團(tuán)隊(duì)將生成高度復(fù)雜的未來哺乳動(dòng)物模型所需的實(shí)驗(yàn)和信息學(xué)工具,甚至可能用于人類。因?yàn)樵撃P蛯⒕哂谢?dòng)性,研究人員將能夠比使用真實(shí)動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)室更快地操縱基因或飲食,并產(chǎn)生可測試的假設(shè)。
“我們建議開發(fā)的模型將成為通過功能基因網(wǎng)絡(luò)重建和建模更好地預(yù)測健康和疾病結(jié)果的基石,”O'Rourke說。“目前還沒有這樣的東西。“未來,結(jié)合個(gè)性化基因組學(xué),預(yù)測模型可以改變我們合理化設(shè)計(jì)和測試高度針對性治療的能力,并促進(jìn)真正個(gè)性化醫(yī)療的方式。”
為此,O'Rourke贏得了WM Keck基金會(huì)120萬美元的撥款。UVA將通過研究副總裁辦公室為該項(xiàng)目提供額外的20萬美元。O'Rourke的高風(fēng)險(xiǎn)/高價(jià)值研究還獲得了皮尤慈善信托基金(Pew Charitable Trusts)的24萬美元贈(zèng)款,最近她將其命名為Pew Biomedical Scholar。
O'Rourke希望在三到四年內(nèi)完成該技術(shù)的開發(fā)。
“目前還沒有能夠完全代表動(dòng)物生命的模型,其復(fù)雜的組織水平,從基因,細(xì)胞到器官,”UVA臨時(shí)負(fù)責(zé)研究的副總裁Phil Parrish說。“如果沒有這樣的模型,就不可能完全預(yù)測藥物對不同器官系統(tǒng)的影響,設(shè)計(jì)我們的身體不會(huì)拒絕的組織或器官,或僅僅是在分子水平上理解生命。通過凱克基金會(huì)和皮尤的慷慨支持,O'Rourke集團(tuán)的3D建模工作將為生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)打開新的大門。“
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