Диссертация (1097599), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Так в работе (W. W.Chen et al., 2009) разработана модель PI3K/AKT и RAS/MEK/ERK сигнальныхпутей, учитывающая ко-экспрессию ErbB1,2,3,4 рецепторов. Модель включает28 белков и рецепторов, 471 белковых комплексов, возникающих в результате828 реакций, и описывается 499 обыкновенными дифференциальнымиуравнениями.
В результате моделирования установлено, что сигнальныйсистемы обладает усилительными свойствами: AKT и ERK выходные сигналыформируются при низких рецепторных сигналах, гораздо ниже константдиссоциациидлясвязываниярецептор-лиганд.УсилительныесвойстваRAS/MEK/ERK сигнального пути также были исследованы в работе (Sturm et al.,2010). Взаимодействие между PI3K/AKT и RAS/ RAF/MEK/ERK сигнальнымипутями за счет ингибирования киназы RAF киназой AKT исследовано в рамкахмодели, развитой в работе (Wang, Cirit, & Haugh, 2009).Рис. 1-5. Осцилляции в RAS/MEK/ERK сигнальной системе.
Осцилляцииконцентрации pERK, предсказанные теоретически в модели сигнальнойсистеме (B N Kholodenko, 2000) (А). Экспериментальное наблюдениеpERK осцилляций (Shankaran et al., 2009) (Б) и (Nakayama, Satoh, Igari,Kageyama, & Nishida, 2008) (В).Теоретическиеисследованиядинамическихособенностейфункционирования RAS/RAF/MEK/ERK сигнального пути были выполнены вгруппе под руководством Б.Н.
Холоденко в серии работ (B N Kholodenko, 2000),25(Borisov et al., 2009), (Boris N. Kholodenko & Birtwistle, 2009). Результатымоделированияпоказали,чтовфосфорилирования/дефосфорилированиясистемекаскадныхпротеин-киназсреакцийотрицательнойобратной связью (Рис. 1-4 (А)) в зависимости от параметров модели и силыобратной связи могут наблюдаться следующие выходные сигналы: постоянныйсигнал (Рис. 1-4Б)), переходный сигнал (одиночный импульс) (Рис. 1-4В), атакже возникать затухающие и незатухающие осцилляции выходного сигналаpERK (Рис.
1-4Г,Д). Показано, что в данной нелинейной системе функцияотклика может изменяться от плавной сигмоидной кривой до кривой с высокимкоэффициентомХилла,чтосоответствуетгиперчувствительного режима с усилением.возникновениювсистемеТакже работе показано, чтофункция отклика данной системы может иметь гистерезисный характер, чтосоответствует возникновению бистабильного режима (режима переключения) всистеме или переходу системы в осцилляторный режим (Рис. 1-4Е). На основепроведенного анализа в работе(B N Kholodenko, 2000) была предсказанавозможность возникновения осцилляций рERK сигнала в MAP киназной системе(Рис.
1-5А). Возникновение осцилляторного режима в RAS/RAF/MEK/ERKсигнальном пути был подтвержден экспериментально в работах (Shankaran et al.,2009), (Nakayama et al., 2008) (Рис. 1-5Б,В) .Следующий уровень сложности в сигнальных системах возникает при учетегенетической регуляции, которая приводит не только к изменению экспрессиисигнальных белков, но также формирует петли отрицательной обратной связи всигнальных системах.
Так в работе (Nakakuki et al., 2010) развита модельRAS/MEK/ERKсигнальногопутисучетомгенетическойрегуляции,формирующейся за счет экспрессии фосфатазы DUSP и фактора транскрипциис-FOS (Рис. 1-6А). В результате анализа функционирования системы быларазработана логическая схема регуляции, которая позволяет дискриминироватьпостоянный и переходный рERK сигналы в системе (Рис.
1-6Б).26Рис. 1-4. Схема кинетической модели RAS/MEK/ERK сигнального пути с учетомгенетической регуляции за счет экспрессии фосфатазы DUSP и факторатранскрипции с-FOS (А). Логическая, схема регуляции, предложенная на основемоделирования RAS/MEK/ERK сигнальной системы с генетической регуляцией(Б) (Nakakuki et al., 2010).Разработанные модели сигнальных путей применяются в настоящее времядляисследованиядействияантираковыхлекарственныхпрепаратов,ингибирующих ErbB1,2,3,4 рецепторы, их тирозин-киназы, а также протеикиназы в PI3K/AKT и RAS/ RAF/MEK/ERK сигнальных путямх. Так всовместной работе Массачусетского Технологического Института (MIT) ифармацевтической компании Merrimack Pharmaceuticals USAбыла развитамодель активации PI3K/AKT и RAS/RAF/MEK/ERK сигнальных путей (499ОДУ) иприменена к исследованию действия лекарственных препаратовгефитиниб (Iressa) и лапатиниб (Tyverb), инигибиторов тирозин-киназ ErbB1 иErbB2 рецепторов (W.
W. Chen et al., 2009). Результаты моделирования показалихорошеесогласиесэкспериментальнымидозовымизависимостями,полученными для указанных ингибиторов в экспериментах на клеточных линияхэпидермальной карциномы A431 с высоким уровнем экспрессии ErbB1рецепторов.Действие ингибитора MEK киназы U0126 было исследовано в моделиPI3K/AKT и RAS/RAF/MEK/ERK сигнальных путей, развитой в группе подруководством Б.Н. Холоденко (Birtwistle et al., 2007).
Пученная в модели дозовая27зависимость для U0126 удовлетворительно описывают экспериментальныеданные, полученные для MCF-7 клеточной линии рака молочной железы.В Отделении Системной биологии Фармацевтической компании MerrimackPharmaceuticals USA была развита кинетическую модель PI3K/AKT иRAS/RAF/MEK/ERK сигнального путей для тестирования нового ингибитораErbB рецепторов (Schoeberl et al., 2009).
В совместных теоретических иэкспериментальных исследования был разработан новый лекарственныйпрепарат ММ-1221 (моноклональное антитело), ингибирующий связываниелиганда HRG с ErbB3 рецепторами. Новый ингибитор показал высокуюэффективность подавления роста опухоли в ксенотрансплантатных мышах и внастоящее время разработанный ингибитор проходит клинические испытания.Все работы обсужденные выше посвящены моделированию сигнальныхпутей и применению к анализу действия лекарственных препаратов для случаяфункционирования систем в норме, когда в клетке отсутствуют мутации.
Вработах исследуются, главным образом, режимы функционирования систем,когда выходной сигнал системы является плавной функцией входногорецепторного сигнала. Действие ингибиторов рецепторов или протеин-киназ всистеме приводит к ингибированию выходного сигнала в соответствии спередаточной функцией системы (W. W. Chen et al., 2009).Влияниеонкомутацийдействиенафункционированиесигнальныхсистемилекарственных препаратов было исследовано в нескольких работах.
Так рамкахмодели PI3K/AKT и RAS/RAF/MEK/ERK сигнальной системы, развитой вгруппе под руководством Б.Н. Холоденко (Birtwistle et al., 2007), было показано,что повышенная экспрессия ErbB2 рецепторов, наблюдающееся в 25% ракамолочной железы, приводит к трансформации переходного выходного ERKсигнала к постоянному сигналу. В цитированной выше работе (W. W. Chen et al.,2009) в рамках развитой модели PI3K/AKT и RAS/RAF/MEK/ERK сигнальныхпутей была показано эффективность действия лекарственных препаратов28гефитиниб и лапатиниб, ингибиторов тирозин-киназ ErbB1 и ErbB2 рецепторов,на клеточные линии эпидермальной карциномы A431 с высоким уровнемэкспрессии ErbB1 рецепторов.Даннаяработапосвященаприменениюметодовкомпьютерногомоделирования к исследованию функционирования клеточных сигнальныхсетей как в норме, так и при наличии онкомутаци генов, кодирующихсигнальные белки. Разработанные модели применяются к анализу действиялекарственных препаратов на сигнальные системы при онкомутациях.
В работерассмотрены мутации генов, кодирующие ErbB рецепторы и белки в PI3K/AKTи RAS/ RAF/MEK/ERK сигнальных путях, которые встречаются наиболее частов различных типа рака (Yuan & Cantley, 2008). Так мутации PIK3CA, PTEN иErbB2 входят число в 10 наиболее мутирующих генов, которые составляют 62%всех мутаций, обнаруженных в результате полного синквенса генома 560пациентов рака молочной железы (Nik-Zainal et al., 2016). Указанные мутацииприводят к резистентности раковых клеток к действию лекарственныхпрепаратов,которыепоказаливысокуюэффективностьингибированиясигнальных путей и роста раковых опухолей, не содержащих онкомутаций.Таким образом, онкомутации существенно изменяют функционированиесигнальных путей и приводят к потере их чувствительности к ингибированиюсигналов лекарственными препаратами.
В работе разрабатываются методымоделирования для исследования нарушений механизмов регуляции сигнальныхсистем при онкомутациях в опухолевых клетках, которые приводят клекарственной резистентности.29Глава2.Влиянияпрепаратов,онкомутацийингибирующихнадействиесигнальныелекарственныхсистемыопухолевыхклетокВо настоящей главе дается подробное описание метода разработкиматематической моделей действие лекарственных препаратов (ЛП) насигнальные пути пролиферации раковых клеток. С целью наиболее надежногоописания эффекта ЛП большое внимание уделяется разработке кинетическихмоделей сложных сигнальных путей и их регуляторных механизмов.
Методвключает детальное описание как функционирования системы на уровнеотдельных сигнальных белков и рецепторов, так и на системном уровне полнойсигнальнойсистемы.Описываетсяразработанныйметодопределениямодельных параметров системы на основе экспериментальных данных,полученных как для отдельных белков системы, так и данных, определенных вэкспериментах на клеточных линиях раковых клеток. Далее дается описаниеметода валидации разработанных моделей сигнальных систем с целью проверкиих надежности и предсказательной способности. Описывается применениеразработанного метода к построению и валидации компьютерных моделейRAS/MEK/ERK и PI3K/PTEN/AKT/mTOR сигнальных путей и их активациирецепторами эпидермального фактора роста ErbB1-4.
Разработанная модельприменяется к исследованию действия нового антиракового ЛП, пертузумаба,ингибитора рецепторов эпидермального факторов роста ErbB3. ПриводятсярезультатымоделированияингибирующегоэффектапертузумабанаRAS/MEK/ERK и PI3K/PTEN/AKT сигнальные пути и проводится сравнениетеоретических результатов с экспериментальными данными, полученными длялинии раковых клеток яичника PE04.
Приводится метод исследования действияЛП на сигнальные пути с различным набором онкомутаций генов, кодирующихPI3K, PTEN и AKT белки. Описываются методы верификации модели,включающие проверку предсказаний модели в in vitro экспериментах на линиях30раковых клеток. Приводятся результаты по применению предсказаний модели вклинических исследованиях по персонализированной терапии пациентов сракоммолочнойжелезысопределеннымнаборомонкомутацийвPI3K/PTEN/AKT сигнальной системе.2.1. Разработкамоделидействиялекарственныхпрепаратовнасигнальных пути пролиферации раковых клетокДлямоделированиядействияЛП, ингибитороврецептораErbB2,пертузумаба на сигнальные пути раковых клеток в работе развита кинетическаямодель RAS/MEK/ERK и PI3K/PTENAKT/mTOR сигнальных путей приразличных мутациях генов, кодирующих сигнальные белки.
Модель описываетпроцессы активации сигнальной системы и распространение сигнала в каскадереакций фосфорилирования протеин-киназ. С целью исследования ответасигнальной сети на действие ЛП разработана кинетическая модель еефункционирования при активации рецепторов эпидермального факторов ростапри их связывании с лигандом, нейрегулином-1-HRG. Схема моделипредставлена на Рис. 1-1.Модель полной сигнальной системы представляет собой системуобыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), описывающих кинетикупередачи сигналов в системе:= − − {( )= , ( , , ) − , ( , , ).(2.1)(2.2)Уравнения (2.1) и (2.2) описывают, соответственно, кинетику образованиярецепторных или белковых комплексов Si и кинетику фосфорилирования и31дефосфорилирования сигнальных белков системы pSi.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
