生物学家逐个细胞开发完整动物的3D计算机模型

人类疾病是网络疾病，“弗吉尼亚大学生物学和细胞生物学助理教授Eyleen O'Rourke说。通过这一点，她意味着我们的基因，细胞，组织和器官都相互作用并相互影响，作为一个高度复杂的实体网络，结合环境 - 定义为我们的饮食，健康习惯和其他因素 - 决定我们的身体是否是受疾病影响，以及他们如何应对用于治疗各种疾病的药物。

“例如，囊性纤维化引起基因的相同突变可能意味着一个人的预期寿命不到20年，但其他人的症状轻微，”O'Rourke说。“这是因为许多其他因素 - 通常被误解的因素 - 在构成我们身体的基因，细胞和组织网络中的影响，以及我们与环境的相互作用，定义了突变可能会或可能不会发生的变化。网络也是影响各种疾病治疗对特定个体的影响。“

为了更好地了解复杂的疾病，O'Rourke和UVA，哈佛医学院和加州大学圣地亚哥分校的同事团队计划创建第一个整个活体动物的三维计算机模型 - 在这种情况下，一种广泛研究的蠕虫具有相对简单的细胞系统，由20种细胞类型和约20,000种基因组成。

O'Rourke及其同事正致力于模拟秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的相对简单的生物体，是在细胞水平上研究遗传学和系统生物学的优秀系统。超过60%的基因与人类基因的功能基本相同。

O'Rourke领导的团队将挖掘出一种胰岛素抵抗和肥胖的蠕虫病毒的全基因组。它们将在每种细胞类型中一次一个地灭活这种动物的所有20,000个基因，并且还改变饮食。通过这种方式，他们将定义在该模型系统中允许或引起代谢疾病的网络变化。然后，该数据将用于生成具有单细胞细节的动物代谢的第一计算机模型。

“通过对这种简单的线虫建模，我们将首次了解遗传变化如何与不同的环境相结合，决定健康或疾病，”O'Rourke说。

此外，通过构建这种蠕虫模型，该团队将生成高度复杂的未来哺乳动物模型所需的实验和信息学工具，甚至可能用于人类。因为该模型将具有互动性，研究人员将能够比使用真实动物的实验室更快地操纵基因或饮食，并产生可测试的假设。

“我们建议开发的模型将成为通过功能基因网络重建和建模更好地预测健康和疾病结果的基石，”O'Rourke说。“目前还没有这样的东西。“未来，结合个性化基因组学，预测模型可以改变我们合理化设计和测试高度针对性治疗的能力，并促进真正个性化医疗的方式。”

为此，O'Rourke赢得了WM Keck基金会120万美元的拨款。UVA将通过研究副总裁办公室为该项目提供额外的20万美元。O'Rourke的高风险/高价值研究还获得了皮尤慈善信托基金(Pew Charitable Trusts)的24万美元赠款，最近她将其命名为Pew Biomedical Scholar。

O'Rourke希望在三到四年内完成该技术的开发。

“目前还没有能够完全代表动物生命的模型，其复杂的组织水平，从基因，细胞到器官，”UVA临时负责研究的副总裁Phil Parrish说。“如果没有这样的模型，就不可能完全预测药物对不同器官系统的影响，设计我们的身体不会拒绝的组织或器官，或仅仅是在分子水平上理解生命。通过凯克基金会和皮尤的慷慨支持，O'Rourke集团的3D建模工作将为生物学和生物医学打开新的大门。“

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