Лаборатория математической биофизики

Заведующий лабораторией: к.ф.-м-.н. Андреев Сергей Григорьевич

Телефон отдела:+7(495) 939-7194

Почта:andreev_sg@mail.ru

Комната:201

 

Последнее десятилетие научная тематика лаборатории математической биофизики концентрируется вокруг следующих основных направлений: механизмы радиационных биологических эффектов (молекулярный, клеточный, организменный уровень), биомедицинские информационные технологии, принципы и механизмы 3D-организации генома.

Среди традиционных направлений исследований радиобиологической тематики (микродозиметрия, структура треков ионизирующих частиц, радиационная биофизика ДНК и хроматина, моделирование радиационных повреждений ДНК и их репарации, закономерности хромосомных аберраций и др.) следует отметить достижения последних лет, связанные с изучением механизмов индуцированной ионизирующей радиацией нестабильности хромосом (РИНХ) и генома (РИНГ). Нестабильность генома рассматривается как важнейший «индикатор» состояний клетки, показывающих предрасположенность клеток к переходу на путь злокачественного развития. Нестабильность генома в раковых клетках может приводить к генерации стволовых раковых клеток, которые являются опухоль-образующими. Поэтому исследование механизмов РИНХ/РИНГ имеет большое значение в биологии и медицине. К важнейшим научным достижениям этого направления можно отнести: создание первой и единственной на настоящий момент теории и компьютерной модели РИНХ, объясняющей совокупность имеющихся экспериментальных данных и позволяющей прогнозировать эффекты нестабильности хромосом; цикл экспериментальных исследований механизмов РИНХ/РИНГ при облучении клеток в культуре и организма.

Разработанная модель РИНХ учитывает комплекс основных событий и процессов, которые ответственны за дестабилизацию структуры хромосом и возникновение хромосомных аберраций и геномных перестроек в различные сроки после облучения. В любых радиационных исследованиях одной из важнейших характеристик является вид зависимости доза-эффект. Компьютерные эксперименты приводят к двум фундаментальным выводам: о существенном изменении дозовой зависимости РИНХ со временем и принципиально новому объяснению феномена независимости эффекта от дозы для РИНХ, обусловленному динамикой генерации и элиминации повреждений ДНК в потомках и не связанному с сигнальными межклеточными взаимодействиями, как традиционно полагают сейчас (Ю.А. Эйдельман, С.В. Сланина, В.С. Пятенко, С.Г. Андреев).

Нестабильность хромосом и генома изучались экспериментально на различных уровнях. Исследования проводились как на клеточных моделях invitro, так и invivo, при облучении целого организма. В исследованиях invitro получены новые данные, показывающие, что при определенных условиях РИНХ не убывает, а возрастает со временем деления клеток в культуре и этот феномен не связан с их пролиферативным старением. Эти данные указывают на возможность нового механизма РИНХ, не сводящегося к репликации ДНК (В.С. Пятенко, Ю.А. Эйдельман, С.Г. Андреев)

Для выяснения закономерностей РИНГ при облучении in vivo на уровне организма человека изучались молекулярно-клеточные и цитогенетические проявления нестабильности в лимфоцитах крови людей, получивших радиационное воздействие более 20 лет назад, ликвидаторов аварии на ЧАЭС, и у контрольных индивидуумов. Особенность использованного подхода состоит в одновременной сравнительной оценке изменений, инициированных много лет назад облучением в малой дозе в стволовых клетках – предшественниках лимфоцитов. Возникшие после облучения в стволовых клетках изменения сохраняются долго, о чем свидетельствует нестабильность генома, проявляющаяся через десятки лет после облучения. Были обнаружены повреждения генетического аппарата лимфоцитов: возрастание частоты клеток с микроядрами, повышение частоты аберраций хромосомного типа, возрастание уровня двунитевых разрывов ДНК. По содержанию гистона гамма-H2AX, способности к репарации двойных разрывов, чувствительности к дополнительному облучению, способности к индуцированной адаптивной реакции лимфоциты ликвидаторов и контрольных людей не различаются. Изучение оксидативного статуса, содержания активных форм кислорода (АФК) обнаружило высокую степень индивидуальной вариабельности. В среднем в нестимулированных лимфоцитах ликвидаторов содержание АФК достоверно ниже, чем в контроле. По содержанию супероксид-анион радикала лимфоциты ликвидаторов и доноров контрольной группы не различаются. У облученных индивидуумов изменен иммунный статус: возрастает доля естественных киллеров, повышена численность субпопуляции регуляторных и активированных Т-лимфоцитов, готовность к апоптозу, снижена фагоцитарная активность. Важные результаты были получены при изучении способности лимфоцитов облученных и контрольных индивидуумов к активации (стимуляции): способность лимфоцитов крови к ранней активации (маркер CD69+) у ликвидаторов снижена. Были проанализированы коррелятивные связи между всеми изученными показателями. У ликвидаторов выявлена связь между повреждениями генома (частотой клеток с микроядрами, с хромосомными аберрациями, уровнем двойных разрывов ДНК) и содержанием регуляторных, цитотоксических лимфоцитов и натуральных киллеров. По-видимому, нестабильность генома в стволовых клетках приводит к целому ряду нарушений в лимфоцитах крови, к нарушениям связей между показателями иммунного статуса. У ликвидаторов обнаружено отсутствие коррелятивных связей между концентрацией АФК и долей регуляторных и активированных Т-лимфоцитов, с готовностью к апоптозу и с фагоцитарной активностью макрофагов. Подобные исследования нестабильности генома человека, проявляющейся через много лет после радиационного воздействия в лимфоцитах крови с использованием комплекса показателей, установлением коррелятивных связей между всеми исследованными параметрами, выполнены впервые (А.М. Серебряный, А.В. Алещенко). 

Еще одно традиционное для лаборатории направление работ - разработка новых информационных технологий на основе анализа биомедицинских и геномных данных. Совместно с Вычислительным Центром РАН были разработаны новые методы исследования взаимосвязей в сложных объектах. С их помощью (в сотрудничестве с Российским Научно-Клиническим Геронтологическим Центром) осуществлен поиск коррелятивных связей тяжести заболевания с полиморфизмом некоторых генетических факторов, а также клиническими и биохимическими показателями. Выявлены основные предиктивные факторы риска развития транзиторной ишемической атаки: показатели липидного спектра, показатели клеточного состава крови, биохимические показатели, тип гиперлипидемии, II-III стадии хронической ишемии головного мозга, электрокардиографические признаки гипертрофии левого желудочка, признаки диффузных изменений щитовидной железы при ультразвуковом исследовании. Совместно с НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина были выявлены молекулярные маркеры артериальной гипертонии у пациентов с нормотонией, предгипертонией и гипертензией. В сотрудничестве с ИХФ им. Н.Н.Семенова и Центром Биотической Медицины выявлена нейропротекторная роль селена при ишемических заболеваниях мозга в позднем возрасте. По данным 16 клиник России в совместных исследованиях с Городской Больницей № 51 был сделан прогноз повторного события коронарного синдрома в течение полугода после выписки из больницы. На основе прогностической модели оценен риск возникновения неблагоприятных исходов после перенесенного обострения ишемической болезни сердца. Разработанная компьютерная система оценки риска, основанная на логико-статистических подходах, имеет наивысшую прогностическую силу и точность предсказаний по сравнению с известными моделями (логистическая регрессия, деревья решений, нейронные сети и др.) (А.В. Кузнецова). 

Разработка новых информационных технологий на основе геномных данных требует знания принципов и механизмов 3D-организации генома. Понимание принципов пространственной организации, динамики и управления генетической информацией в объеме ядра клетки (размеры всей ДНК в клетке около двух метров, размеры ядра порядка пяти-десяти микрон) представляет собой одну из фундаментальных проблем биофизики и физико-химической биологии. Прогресс в этой области может иметь существенное значение для создания принципиально новых биотехнологий, фармакологических средств и способов направленного воздействия на геном.

Одним из важнейших достижений лаборатории за последние годы можно считать разработку проекта по созданию методов компьютерного моделирования структурной организации хроматина в ядре клетки. Мощным стимулом в этом направлении послужило появление новых экспериментальных методов исследования структуры хромосом (метод Chromosome Conformation Capture, ССС, и его разновидности, метод Hi-C), которые основаны на лигировании сближенных в пространстве участков хромосом. Однако им присущ ряд внутренних ограничений, в частности, невозможность получения прямой информации о 3D-структурах, и для извлечения этой информации необходимы вычислительные методы. В ходе реализации проекта в лаборатории был создан комплекс новых методов моделирования структуры и динамики хроматина и хромосом в живых клетках. Расчетная динамика отдельных локусов и целых хромосом при переходе митоз-G1 фаза цикла хорошо описывает экспериментальные данные для интерфазных хромосом живых клеток. Впервые численно исследованы механизмы активации генов: динамика перемещения локусов к центрам транскрипции, образование комплексов петель ДНК, моделирующее связывание регуляторных белков со специфическими сайтами в хроматине. In silico исследование механизмов скоординированной транскрипции кластеров генов показывает, что различные экспериментальные данные количественно согласуются друг с другом, если ввести гипотетический механизм деконденсации областей хроматина на поверхности хромосомных территорий, содержащих активные гены. Впервые исследована роль пространственной организации генома в образовании под действием ионизирующей радиации рак-специфических аберраций хромосом, т.е. аберраций, характерных для тех или иных типов рака. Получены оценки абсолютных частот рак-специфических аберраций по локусам онкогенов (AF4-MLL, ABL-BCR и RET-PTC1) после воздействия ионизирующей радиации, в эксперименте определение частот таких аберраций невозможно. Это удалось достигнуть путем построения ансамблей 3D-структур хромосом человека, в которых расположены указанные локусы, и учета информации, полученной из «радиобиологического» направления исследований. Планируется дальнейшая разработка методов структурного моделирования генетических систем клетки, ориентированных на суперкомпьютерные вычисления (Ю.А. Эйдельман, С.В. Сланина, И.В. Сальников, В.С. Пятенко, С.Г. Андреев). 

В состав лаборатории входят следующие сотрудники: зав. лабораторией, к.ф.-м.н. Андреев Сергей Григорьевич., с.н.с., к.б.н. Светлана Викторовна Сланина, ст. специалист Илья Викторович Сальников, с.н.с., к.б.н. Алина Владимировна Алещенко, ст.н.с., к.ф.-м.н. Юрий Александрович Эйдельман, с.н.с., к.б.н. Валентина Семеновна Пятенко, с.н.с., к.ф.-м.н. Анна Викторовна Кузнецова, гл.н.с., д.х.н. Александр Маркович Серебряный.

В лаборатории проводится подготовка молодых ученых, проходят дипломную и преддипломную практику студенты НИЯУ МИФИ, проходили стажировку иностранные студенты. С.Г. Андреев читает курсы лекций по биофизике и физике биологического действия радиации для студентов НИЯУ МИФИ и аспирантов ИБХФ РАН, является членом Президиума Научного Совета РАН по радиобиологии, вице-председателем Международного Агентства по Исследованию Космического Пространства (КОСПАР) по отделению «Науки о жизни». С.Г. Андреев и А.М. Серебряный входят в состав редакционной коллегии журнала РАН «Радиационная Биология. Радиоэкология».

Сотрудники лаборатории активно участвуют в международных симпозиумах и конференциях по проблемам радиобиологии, радиационной безопасности, биомедицины, биоинформатики в России, Германии, Италии, Австрии, Японии, США, Англии, Швеции. За прошедшие 10 лет лабораторией опубликовано 68 полнотекстовых статей в рецензируемых российских и зарубежных журналах. Работы лаборатории были поддержаны 3 грантами по Программе Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине» и 9 грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований.