Change - open-distributed-science-for-aging-research/ru

Created on June 25, 2013, 10:17 p.m. by antonkulaga & updated on June 25, 2013, 10:51 p.m. by antonkulaga

Открытая распределенная наука для исследования старения ¶
======================================================= ¶
¶
:Авторы: - Anton Kulaga ¶
-
DanielДаниел WuttkeВуттке ¶
¶
:Резюме: Расшифровка процесса старения имеет первоочередное значение и требует новых инновационных парадигм. Только глобальные начинания такие как создание цифровой кибермашины для дешифровки старения, усиленные мощью открытой распределенной науки, позволят эффективно воспользоваться огромным массивом биологической информации, чтобы сформировать представление, необходимое для проведения реверс-инжиниринга процесса старения ¶
¶
Расшифровка старения. ¶
--------------------- ¶
¶
Процесс старения - одна из величайших и удивительных загадок биологии и главная биомедицинская проблема XXI века. Её решение является делом чрезвычайной важности, поскольку старение затрагивает всех людей на планете и ложится огромным экономическим и социальным бременем на все государства. Старение убивает более 150 000 человек в день, что в два раза
больпревышае чемт все остальные факторы вместе взятые. Вызванные старением немощность, болезни и инвалидность приводят к увеличению нагрузки на национальные экономики. ¶
¶
Старение - очень сложный феномен, который действует на многих иерархических и системных уровнях: от клеточного и тканевого - до уровня целого организма, популяции и даже вида. Его эволюционные теории
и физиологические механизмы остаются загадкой. Процесс старения невозможности описать и "декодировать" без интеграции огромного массива гетерогенных биомедицинских данных, совместной работы программистов и учёных из разных областей науки, ¶
и без большого объёма вычислений, которые необходимы для тестирования гипотез и генерации новых знаний. ¶
¶
Старение - это
такжещё и социальная проблема. Большинство болезней, которые являются главными причинами смерти (сердечно-сосудистые и метаболических заболевания, нейродегенерация, рак и т.д.) - это производные старения. На сегоднящний день академическая наука, индустрия и общество сфокусированы преимущественно на этих производных, в то время как основной фокус должен быть на первопричине - старении. Именно поэтому нужно провести огромную социальную работу для того, чтобы перенаправить усилия общества с борьбы с последствиями старения на устранение самой первопричины. Для достижения этой цели лоббисты, журналисты, артисты, политики и социальные активисты должны объединить свои усилия и работать совместно с учёными и программистами. ¶
¶
Как и для любого сложного феномена, который затрагивает научные и социальные проблемы, требует проведение сложных вычислений на больших объёмах данных и вовлекает множество людей и организаций, требуется создание платформы, которая позволит совместить всё вышеперечисленное. Именно это и является главной целью проекта "Денигма" [http://denigma.de]. ¶
¶
Интеграция гетерогенных данных ¶
============================== ¶
¶
Денигма - это проект Международного Альянса Продления Жизни [http://longevityalliance.org/] направленный на создание отправной точки для расшифровки старения. С помощью интеграции гетерогенных биологических данных и применения надёжной схемы их унификации, а также задействования увеличивающихся вычислительных мощностей для выведения новых знаний, будет возможно решать биологические проблемы, прежде всего, проблему старения, а также множество сопу
тствующих и подобных задач. ¶
¶
Первый и необходимый шаг в этом направлении - это создание базы знаний по старению, что подразумевает интеграцию данных из разных источников. В настоящее время биомедицинские знания находятся в разнообразных форматах и рассеяны в форме неструктурированных академических статей, частично-структурированных наборов данных, а часто просто недоступны, так как находятся только в головах экспертов, что делает их недоступными для глобальных вычислений (Attwood et al. 2009). ¶
¶
Текстовая информация должно быть конвертирована в структурированную форму, в то время как наборы данных и базы данных должны быть картографированы и конвертированы в единую структуру. Этот процесс можно автоматизировать, ¶
но не полностью, а значит требуется вовлечения людей через краудсорсинг. Кроулеры (специализированные поисковые роботы) находят информацию в вебе и собирают данные. Обработка естественного языка (Natural Language Processing, NLP) конвертирует изначальную текстовую информацию в формализированное представление знаний. После чего данные заносятся в наши унифицированные базы данных и становятся частью семантического графа.
¶
¶
Поскольку автоматическая обработка данных чревата множеством ошибок, добавления в базу требует проверки и правки людьми. Пользователи будут работать с базой знаний с помощью семантических инструментов и средств для эффективной коллаборации, включающих инструменты совместного редактирования, управления версиями, выполнения команд прямо из чатов, динамическую визуализацию графов знаний и универсальный API. ¶
¶
Инженерия онтологий занимает ключевое место в такой многослойной интеграции данных. Онтология - это явная формальная спецификация общей концептуализации (Gruber T, 1995). Это основа так называемого Semantic Web Stack-а, набора технологий, которые позволяют исследователям описывать гетерогенные данные и применять к ним алгоритмы вывода новых знаний (рис1). ¶
¶
.. figure:: http://smiy.files.wordpress.com/2011/01/sw_layercake.png &para]
¶
Рис.1. Semantic Web Stack. ¶
¶
В настоящий момент существуют сотни биологических и медицинских онтологий [http://bioportal.bioontology.org/ontologies]. Наиболее известная из них - это Генная онтология, которая была разработана в проекте Геном Человека. К сожалению, большинство существующих биомедицинских онтологий низкого качества и не интегрированы друг с другом, поэтому существуют ресурсы такие как "Open Biological and Biomedical Ontologies" (OBO Foundary) [http://obofoundry.org/], которые пытаются установить стандарты качества и обеспечить их интеграцию. ¶
¶
Специфичные для старения онтологии необходимы и уже разрабатываются командой Денигмы. Эти онтологии будут использоваться для вышеуказанных программ, чтобы классифицировать и систематизировать информацию. ¶
¶
¶
Инструменты и Приложения для Исследований Старения. ¶
=================================================== ¶
¶
Для исследований старения характерно использование специфических подходов и приёмов. ¶
Одним из способов изучения процессов старения, является сравнительный анализ: ¶
¶
Сравнение долго и коротко-живущих видов ¶
--------------------------------------- ¶
Разные формы жизни стареют c большим разбросом: от нескольких дней - до столетия, а некоторые вообще не стареют (пренебрежимое старение) или даже классифицированы как бессмертные (например, такие виды как медуза и гидра). Также существует корреляция между продолжительностью жизни, разнообразными признаками и условиями в которых виды эволюционировали. Обычно чем крупнее животные, тем дольше оно живёт. Так мыши живут 2 года, собаки 15 лет, лошади 40 лет, слоны 70 лет, это обычная прямая восходящая наклонная линия. Однако, есть существенные исключения. Так, летучие мыши, размером с обычную мышь, живут 30 лет. Человек, который по размеру ненамного превосходит большую собаку, может дожить до 120 лет, небольшой лобстер - до 220 лет, небольшая черепаха - до 150 лет, некоторые птицы (например, определенные виды попугаев) могут жить - до 90, арктические молюски - более 250 лет, глубоководные рыбы - более 150 лет. Что для них характерно? Они обладают одним из несколькими из следующих признаков: имеют хорошую защиту от хищников или защиту всего тела, или выдающийся интеллект, или умение летать или долгое время развивались в изоляции. В Денигме собраны данные по долголетию многих видов. ¶
¶
Сравнение коротко-живущих и долго-живущих мутантов ¶
--------------------------------------------------- ¶
Внутри вида разные организмы имеют разные генетические вариации, часть из которых влияет на скорость старения. Одиночные генные мутации могут значительно расширить или сократить продолжительность жизни модельных организмов. Также, среди людей есть индивиды, у кого есть генетические предрасположенности, позволяющие жить более столетия (сверхдолгожители). Целая популяция может иметь разнообразные особенности, некоторые популяции живут дольше других. Довольно типично, что генетические вариации кореллирующие с долголетием в одно
ей популяции, не кореллируют в другой. ¶
¶
Сравнение молодых и старых животных ¶
----------------------------------- ¶
Молодые и старые животные имеют множество отличий, которые могут сравниваться на всех уровнях иерархии. В Денигме собраны наборы данных по возрастным изменениям на разных иерархических уровнях в организме, а также установленные их взаимосвязи. ¶
¶
Сравнения старых и молодых организмов позволяют исследователям понять какие изменения происходят при старении, что облгечает планирование экспериментов. Некоторые эксперименты позволяют исследователям старения вычленить факторы старение, например, факторы старения крови. ¶
¶
Сшивка молодых и старых животных и наблюдение за изменениями ¶
------------------------------------------------------------- ¶
Такой вид экспериментов известен как гетерохронный парабиоз (рис. 2). В таких экспериментах кровеносные системых двух животных соединяются таким образом, что кроветворные стволовые клетки, лимфоидные клетки, елементы плазмы, гормоны и другие элементы циркулируют между двумя организмами. Результаты этих исследований указывают на сложность феномена старения. В большинтве случаев молодая мышь становится старее, но старая почти не молодеет (что крайне континтуитивно). (Pishel et al. 2012) Подобные эксперименты были также проведены на более низких уровнях: пересадка органов, переливание крови и т.д. Команда Денигмы активно сотрудничает с лабораториями, проводящими эксперименты по парабиозу, в частности с лабораторией иммунологии и патофизиологии Киевского института геронтологии. ¶
¶
.. figure:: http://dgallery.s3.amazonaws.com/mice.png &para]
¶
Рис. 2. Гетерохронный парабиоз. ¶
¶
Сравнения могут быть проведены на всех уровнях иерархии, начиная c генного и клеточного уровней. ¶
¶
Интервенции по продлению жизни ¶
=============================== ¶
¶
Поскольку основная цель исследований процессов старения заключается в нахождении способов вылечить старение у людей, исследователи проводят так называемые, интервенции по продлению жизни. Эти эксперименты заключаются в воздействиях на животных (от диеты - до генной модификации), которые приводят к увеличению продолжительности их жизни. ¶
¶
Репозиторий по интервенциям является важной частью "Denigma Lifespan App." - приложения которое, предназначенно для систематического картографирования всех детерминант, ограничивающих жизнь. ¶
Оно включает в себя: ¶
¶
* Исследовательские работы ¶
* Эксперименты ¶
* Измерения ¶
* Сравнения ¶
* Интервенции ¶
* Факторы ¶
¶
Поскольку генетические аспекты старения особенно важны, они вынесены в отдельные приложения, а именно: ¶
* "Denigma Expression App." [http://www.denigma.de/expressions] проводит интеграцию данных о экспрессии генов и протеинов с использованием мощных концепций молекулярных профилей и сигнатур, а также комплексного метаанализа ¶
* "Interaction app." интегрирует данные о взаимодействиях биологических сущностей (прежде всего, генов) полученные из множества заслуживающих доверия источников и связывает их с другими известными данными с помощью мощных алгоритмов связывания Аннотационного приложения. ¶
¶
Факторы Старения ¶
================ ¶
¶
Процесс старения очень пластичен. Он может моделироваться как генетическими факторами, так и факторами окружения . Одиночные мутации в генах обнаружены в различных модельных организмах могут значительно увеличивать продолжительность жизни, вплоть до десяти раз (Shmookler Reis et al. 2009). ¶
Что примечательно, оказывается большинство из этих генов очень консервативны и крайне слабо отличаются в пределах разных видов (Wuttke et al. 2012). ¶
¶
В Геноме есть гены, которые ускоряют старения (геронтогены) и гены, которые его замедляют (супрессоры старения). ¶
Эти гены имеют общие свойства и связаны друг с другом. В Денигме был проведён сетевой анализ их взаимойдействий и выявлены функциональные кластеры.(рис 3). ¶
¶
¶
.. figure:: https://s3.amazonaws.com/gerontogenes/Interactions_with_genes_that_interact_at_least_with_two_ageing-associated_genes_and_all_Interactions_among_ageing-associated_genes.png &para]
¶
Рис. 3 Граф взаимодействий генов старения ¶
¶
¶
Открытость ¶
========== ¶
¶
Старение - это также социальная проблема. Поскольку важность исследований старения многократно недооценена обществом, исследователи постоянно сталкиваются с недофинансированием (особенно по фундаментальным направлениям) и вынуждены преодолевать множество барьеров. Поэтому все, кто осознает важность борьбы со старением должны объединяться вместе, с тем чтобы продвигать исследования и помогать учёным в их работе. Для этого был создан Международный Альянс Продления Жизни ( International Longevity Alliance [http://longevityalliance.org/] ) и ¶
разработана Денигма. ¶
¶
Денигма предназначена для того, чтобы стать хабом для исследований старения и всех связанных активностей (таких как лоббирование и продвижение). На текущий момент большая часть социального и проектного функционала находится в стадии разработки. Денигма использовует краудсорсинговый подход, что подразумевает, что код, сервисы, идеи и контент создаются большим количеством людей, прежде всего, онлайн сообществом, а не традиционными сотрудниками и поставщиками. Краудсорсинг отличается от обычного аутсорсинга тем, что задачи и проблемы, аутсорятся не на определенную группу лиц, а выносятся на публичное рассмотрение и решение. (Jeff H. 2006). ¶
¶
Денигмы основана на концепции открытой распределенной науки, разрабатываемой и применяемой к исследованиям старения. Открытость предусматриваем возможность каждого, включая людей извне исследовательского сообщества, участвовать в проектах. Исходные коды Денигмы также открыты и допустпны на ( https://github.com/denigma/) &para]
Распределенность предусматривает дробление исследовательских проектов и проблем на отдельные части, ¶
которые решаются: ¶
¶
* в разных местах ¶
* разными людьми ¶
* в разное время ¶
¶
Выводы ¶
====== ¶
¶
Процесс старения - это главный вызов современности, который должен быть подвергнут обратной инженерии. Для этого необходимо создать цифровую дешифровальную машину, Денигму (рис. 4). которая включает три основных аспекта: исследования,программирование и дизайн. Она находится на пересечении науки, коллаборации и машинного обучения. ¶
Первый прототип Денигмы доступен на [http://denigma.de]. ¶
¶
.. figure:: http://dgallery.s3.amazonaws.com/denigma.png &para]
¶
Рис. 4: проект Денигма конструирует веб интеллект для ускорение научного прогресса (прежде всего для исследований старения) через коллективную коллаборацию и глубокое машинное обучение. ¶
¶
¶
¶
¶
Источники: ¶
========== ¶
¶
Attwood TK; Kell DB; McDermott P; Marsh J; Pettifer SR; Thorne D (2009) Calling International Rescue: knowledge lost in literature and data landslide! The Biochemical Journal, 424, 317-333. ¶
¶
Gruber T: Toward principles for the design of ontologies used for knowledge sharing (1995) International Journal of Human-Computer Studies, 43(5/6):907–928. ¶
¶
Pishel I, Shytikov D, Orlova T, Peregudov A, Artyuhov I, Butenko G (2012) Accelerated aging versus rejuvenation of the immune system in heterochronic parabiosis. Rejuvenation research 15: 239-48. ¶
¶
Shmookler Reis RJ, Bharill P, Tazearslan C, Ayyadevara S (2009) Extreme-longevity mutations orchestrate silencing of multiple signaling pathways. Biochimica et biophysica acta 1790: 1075-83. ¶
¶
Wuttke D, Connor R, Vora C, Craig T, Li Y, Wood S, Vasieva O, Shmookler Reis R, Tang F, de Magalhães JP (2012) Dissecting the gene network of dietary restriction to identify evolutionarily conserved pathways and new functional genes. PLoS genetics 8: e1002834. ¶
¶
Johnson AA, Akman K, Calimport SR, Wuttke D, Stolzing A, de Magalhães JP (2012) The role of DNA methylation in aging, rejuvenation, and age-related disease. Rejuvenation research 15: 483-94. ¶
¶
Jeff H (2006) "The Rise of Crowdsourcing". Wired.

URL: open-distributed-science-for-aging-research-ru

Comment: Updated entry

Comment on This Data Unit