انواع شبکه های زیستی | آزمایشگاه ژنیران

درباره انواع شبکه های زیستی

از دیدگاه مفهومی، ظهور زیست‌شناسی سامانه‌ها یا سیستم بیولوژی را می‌توان به‌عنوان پذیرش دیدگاهی کل‌نگر یا هولستیک (holistic) در برابر دیدگاه کلاسیک دانست. برای اینکه بتوانیم به این درک سیستمی در علوم زیستی برسیم، باید از گراف و کاربردهای آن نیز بهره ببریم. رویکرد نظری گراف به سیستم‌های بیولوژیکی به جنبه‌های ساختاری الگوهای برهم‌کنش متمرکز است. شبکه یا گراف در سیستم بیولوژی، دو جزء کلی را نشان می‌دهد. گونه‌های متقابل، خواه ژن‌ها، پروتئین‌ها یا سایر اجزای زیست‌شناختی، با گره‌ها و برهمکنش‌هایی که بین آن‌ها وجود دارد با یال نشان داده می‌شوند. در حقیقت این شبکه به ما این امکان را می‌دهد که ارتباط بین اجزا را بدانیم و این ارتباط را به عملکرد سلول‌ها مرتبط کنیم.

بدون شک، عملکرد سلول را نمی‌توان تنها به یک شبکه نسبت داد، بلکه از مجموعه‌ای از شبکه‌ها که خود آن‌ها نیز به هم وابسته هستند تشکیل شده است. این شبکه‌های درهم‌تنیده، از سطح رونویسی تا فرایندهای پیچیده متابولیسمی را در بر می‌گیرند.

عملکردهای سلولی را می‌توان به سه شبکه مجزا، شبکه رونویسی، شبکه برهم‌کنش پروتئین و شبکه متابولیک می‌توان تقسیم کرد. عملکرد واقعی واحد سلولی نتیجه وابستگی متقابل بین این شبکه‌ها بوده و نه صرفاً تعاملات هر یک از آنها به‌تنهایی به همین دلیل است که این حوزه systems biology نام گرفته است که در زبان فارسی به زیست‌شناسی سامانه‌ها یا سیستم‌ها ترجمه می‌گردد.

در وضعیت فعلی، توپولوژی این سه شبکه سلولی پایه به طور کامل با استفاده از تکنیک‌های تولید داده با توان عملیاتی بالا ترسیم شده است. در نتیجه، ما اکنون داده‌های قابل‌اعتمادی در مورد نقشه‌های تعامل بسیاری از موجودات داریم.

برخی از نمونه‌ها شبکه‌های برهم‌کنش پروتئین – پروتئینی هستند که برای ارگانیسم‌هایی مانند هوموساپینس، ساکارومایسس سرویزیه (S. cerevisiae) هلیکوباکترپیلوری و غیره ساخته شده‌اند. شبکه‌های تنظیمی و متابولیک نیز با موفقیت برای مخمر، اشریشیاکلی و موجودات مختلف دیگر ترسیم شده‌اند. بااین‌حال، ما هنوز در مورد سایر شبکه‌هایی که در فرایندهای سلولی شرکت می‌کنند، مانند شبکه‌های sRNA و RNAi، اطلاعات زیادی نداریم و باید برای درک بهتر عملکرد سلول، این داده‌ها نیز به‌مرورزمان بیشتر شوند.

داده‌های اومیکس در رده‌های مختلفی به دست آمده است و هرکدام از آن‌ها نیز می‌تواند با هم ارتباط یا interaction داشته باشد. اگر بخواهیم این فضای ارتباطات را بر اساس اومیکس نام‌گذاری کنیم، می‌توانیم نام اینترکتوم را به آن اختصاص دهیم.

در نمایش شبکه‌ای از اینترکتوم‌ها، گره‌ها بیومولکول‌ها را نشان می‌دهند و یال بین دو گره نشان‌دهنده رابطه بیولوژیکی بین بیومولکول‌های مربوطه است. در سلول، انواع مختلفی از مولکول‌های زیستی، به‌عنوان‌مثال، ژن‌ها، پروتئین‌ها، RNA‌ها، عناصر تنظیم‌کننده یا متابولیت‌های مولکولی کوچک، می‌توانند توسط چندین نوع رابطه بیولوژیکی – فیزیکی یا عملکردی به هم متصل شوند. این اطلاعات را می‌توان در نمایش‌های شبکه تعاملی به‌اصطلاح «چند رنگ» ترکیب کرد، جایی که رنگ‌های گره‌ها نشان‌دهنده انواع مولکول‌های زیستی هستند و رنگ‌های یال‌ها نشان‌دهنده انواع روابط بیولوژیکی هستند.

اتصال فاکتورهای رونویسی به عناصر تنظیم‌کننده DNA (رابطه فیزیکی)، تنظیم ژن‌های هدف توسط فاکتورهای رونویسی یا miRNAها (رابطه عملکردی مستقیم)، و شباهت پروفایل‌های بیان ژن‌ها در شرایط چندگانه (رابطه عملکردی مبتنی بر پروفایل) به‌صورت متقابل به هم مرتبط هستند. مطالعه این شبکه‌های متقابل، به‌صورت جداگانه یا با هم بینش‌های کلیدی در مورد سلول می‌دهد. جریان مواد، مانند واکنش‌های متابولیکی، و جریان اطلاعات، مانند مسیرهای انتقال، را می‌توان به‌صورت ریاضی با جهت یال‌ها نشان داد، درحالی‌که ضخامت یا وزن یال می‌تواند نمادی از قدرت نسبی بیولوژیکی باشد.

در نهایت، هدف این است که بفهمیم چگونه اینترکتوم‌های مختلف با هم ادغام می‌شوند تا سیستم‌های سلولی را تشکیل دهند و درنتیجه زیربنای روابط ژنوتیپ – فنوتیپ را ایجاد کنند.

برای دستیابی به این هدف، ابتدا باید نقشه‌های شبکه اینترکتوم جمع‌آوری شوند. فعل‌وانفعالات فیزیکی بین پروتئین‌ها یا برهمکنش‌های پروتئینی، بخش مهمی از سلول را تشکیل می‌دهند و برای اکثر فرایندهای بیولوژیکی، از جمله سیگنال‌دهی، تمایز و تعیین سرنوشت سلولی نقش اساسی دارند.

در شبکه های زیستی پروتئین – پروتئین، یال‌ها جفت‌هایی از پروتئین‌ها را به هم متصل می‌کنند که از نظر فیزیکی به طور مستقیم یا غیرمستقیم با یکدیگر مرتبط هستند. چندین نوع شبکه زیستی وجود دارد. مثلاً شبکه ارتباط پروتئین پروتئین یا protein-protein intraction یا به‌صورت خلاصه PPI از پروتئین‌ها تشکیل شده است و ارتباط بین پروتئین‌ها را نشان می‌دهد.

شبکه تنظیم ژن نیز دسته دیگری از شبکه های زیستی است که در آن چندین ژن با یکدیگر ارتباط دارد و بر روی هم تأثیر می‌گذارند. شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن یا (GRNS) گراف‌هایی هستند که از فعل‌وانفعالات فیزیکی و یا تنظیمی بین دو نوع مؤلفه که خروجی‌های رونویسی را تنظیم می‌کنند و از این موارد تشکیل شده‌اند:

فاکتورهای رونویسی یا TFs (Transcription Factors)
عناصر تنظیم‌کننده (CREs) واقع در ژنوم (Cis-Regulatory Elements)

GRNها را می‌توان به‌عنوان گراف‌هایی نشان داد که برهم‌کنش بین ژن‌ها و تنظیم‌کننده‌های آن‌ها را نشان می‌دهد. این گراف‌ها دوقسمتی هستند، به این معنی که دو نوع گره در آن‌ها وجود دارد: TFها و ژن‌های هدف آنها. GRNها نیز جهت‌دار هستند، زیرا یال‌ها نشان‌دهنده رابطه‌ای از یک TF به یک ژن هدف یا CRE هستند. انواع مختلف یال‌ها را می‌توان در GRNها گنجاند.

اول، تعاملات فیزیکی مستقیم بین TFها و عناصر DNA منتسب به یک ژن (به‌عنوان‌مثال، پروموتر، اینترون، یا ماژول تنظیم‌کننده سیس یا CRM) را می‌تواند شامل شود. نوع دوم یالی است که یک تعامل تنظیمی را نشان می‌دهد و از آزمایش‌هایی استنباط می‌شود که مشخص می‌کند کدام ژن‌ها به طور مثبت یا منفی به ازدست‌دادن یا بیان بیش از حد یک TF تأثیر می‌گذارند.

هنگامی که این شبکه‌های پیچیده را رسم می‌کنیم، شبکه‌های پیچیده و بسیار پیچیده‌ای پدیدار می‌شوند که تحلیل آن‌ها با چشم دشوار است. ابزارهای متعددی برای مصورسازی این شبکه‌ها موجود است، از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

Cytoscape
Osprey
Nbrowse
Biotapestry

شبکه‌های انتقال پیام درون سلول نیز دسته دیگری از این شبکه های زیستی هستند که به کمک اجزای مختلف سعی در انتقال اطلاعات درون موجود زنده دارند. برهمکنش‌های دیگری را نیز می‌توان به کمک ابزارها رسم کرد. مثلاً ارتباطی که بین داروها و متابولیت‌ها وجود دارد نیز به‌صورت گراف قابل نمایش است. این گراف‌ها به ما کمک می‌کنند که تأثیرات یک دارو را بر بیومولکول‌های سلول بررسی کنیم.