Презентация на тему: Моделирование регуляции развития меристемы побега в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana

Моделирование регуляции развития меристемы побега в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana Научный руководитель: к.б.н., доц. Лихошвай В. А.Докладчик:асп. ИЦиГ Акбердин И. Р.3 год аспирантурыЛаборатория теоретической генетикиСектор молекулярной эволюцииСпециальность:03.00.28 – биоинформатикаТема утверждена: Учёный совет, протокол №11 от 07.05.08Межлабораторный семинар, протокол №5 от 11.04.08

Объект исследования: Arabidopsis thaliana Arabidopsis был первым растением, геном которого был полностью секвенирован. Существует программа, по которой к 2010 году планируется определить функции всех генов этого растения.

Меристема побега Arabidopsis thaliana:

Основные гормоны, регулирующие рост и развитие растений: Ауксин – основной гормон растений, который регулирует деление клеток и является фактором дифференцировки - Индолилуксусная кислота (ИУК или гетероауксин). Цитокинин - растительный гормон, производный 6-аминопурина; Основной природный цитокинин – зеатин (его синтетический аналог – кинетин); отвечает за поддержание тотипотентности6-фурфуриламинопурин Сверхзадача информационной биологии в области исследований данного объекта: Разработка методов и компьютерного обеспечения, позволяющего воспроизвести развитие данного организма in silico

Цель и задачи исследования: Цель:Теоретический анализ регуляторных механизмов поддержания тотипотентности и дифференцировки клеток при развитии меристемы побега Arabidopsis thalianaЗадачи:Разработка методов и программного обеспечения для реконструкции и моделирования регуляторных контуров генных сетей;Реконструкция генной сети метаболизма ауксина – регулятора поддержания тотипотентности и дифференцировки клеток при развитии меристемы побега;Разработка математической модели внутриклеточного метаболизма ауксина с учетом генетической регуляции;Разработка пространственно – распределённой модели с учётом транспорта основных регуляторов, контролирующих развитие меристемы побега;Анализ разработанных моделей и их биологическая интерпретация.

Накопление и транспорт ауксина: Модель роли ауксина в эмбриогенезе; Зеленым цветом обозначены места накопления ауксина и ауксинового ответа. Ауксин накапливается в проэмбрионе за счёт PIN7 системы, осуществляя спецификацию апикальную части растения; затем свободная форма ауксина начинает нарабатываться в апексе и транспортироваться обратно. Паттерны распределения и накопления ауксина в побеге и корне;Зеленым обозначены места накопления ауксина

Химические структуры веществ, обладающих активностью ауксина:

Метаболизм ауксина:Потенциальные пути биосинтеза ауксина в клетке Арабидопсиса.Пути биосинтеза de novo ИУК из триптофана и его предшественников

Конъюгация ауксина: Потенциальные пути метаболизма ауксина в клетке Арабидопсиса.

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*:

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

Редуцированная структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

MGSgenerator: блок автоматической конвертации формата ГС в формат моделей:

MGSmodeller: Компьютерная система для конструирования, расчета и анализа моделей молекулярно-генетических систем:

Результаты моделирования процентного содержания различных форм ауксина в клетке меристемы побега: Расчёты модели:Процентное содержание различных форм ауксина (ИУК) в клетке:По оси y-процентыПо оси x-форма ИУК В клетках побега Арабидопсиса, свободная форма ауксина и его эстерифицированная форма составляют только <1% и 4% от общего пула ауксина, соответственно. Оставшийся пул ауксина (95%) составляют амидные формы ауксина (Park et al., 2001).

Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК и GH3 белка в клетке в зависимости от начальной концентрации: Расчёты модели:Концентрация ИУК и GH3 белка в клетке в зависимости от начальной концентрации:По оси y-концентрация ИУК и GH3 белкаПо оси x-время расчёта Ферменты, которые осуществляют реакции конъюгации ИУК с аминокислотами, кодируются белками семейства GH3, которые кодируются ауксин индуцируемыми генами. Эти ферменты входят в суперсемейство люцифераз (Staswick et al., 2002). Также известно, что ауксин быстро и мимолётно индуцирует накапливание, по крайней мере, трёх семейств транскриптов: SMALL AUXIN-UP RNAs (SAURs), GH3-связанные транскрипты и члены семейства AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID (Aux/IAA).

Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК-аланин в норме и при мутациях (trp2,trp3): Расчёты модели качественно совпадают с экспериментальными данными:Концентрация конъюгата ИУК-аланин в клетке в норме и при мутациях (trp2,trp3):По оси y-концентрация ИУК-аланинПо оси x-время расчёта Мутанты арабидопсиса trp3-1 и trp2-1 имеют нарушения в Trp синтазах a and b, соответственно (Last et al., 1991; Radwanski et al., 1996). Мутанты данных типов накапливают содержание амидных форм ауксина (Normanly et al., 1993; Ouyang et al., 2000), несмотря на низкий уровень триптофана (Muller and Weiler, 2000a; Ouyang et al., 2000)…в кукурузе, однако, Trp синтаза a может действовать без b субъединицы для того, чтобы производить индол, который преобразуется в определённые «защитные» вещества (Frey et al., 1997, 2000; Melanson et al., 1997) или, возможно, в ауксин. * - A.W. Woodward and B.Bartel. Auxin: Regulation, Action, and Interaction. Annals of Botany, 95: 707–735, 2005

Эмбриональное развитиемеристемы побега Arabidopsis Thaliana

Разработка пространственно – распределённой модели: Сердечковидная стадия развития меристемы побега(Friml et al.,2003) Основные принципы:Клетки автомата могут обмениваться химическими сигналами. Было выбрана 3 типа сигналов имеющих биологический смысл:стволовой сигнал (SS);сигнал дифференцировки (SD);базальный сигнал (BS);Все клетки разделены на несколько типов в зависимости от типа продуцируемого ими сигнала, причем клетки могут менять свой тип;Тип клетки и продолжительность клеточного цикла зависят от локальной концентрации сигналов;Направления деления зависят от градиентов распределения сигналов.

Типы клеток автомата: Промеристем - клетки меристемы зародыша. Эти клетки продуцируют SS и находятся в верхней части зародыша. В процессе развития эти клетки переходят в клетки типа Л2меристеми Л3меристем.Л2меристем - клетки меристемы, находящиеся во втором слое (считая от эпидермального слоя) верхней части зародыша. Эти клетки продуцируют SS.Л3меристем - клетки, находящиеся на слой ниже клеток типа Л2меристем. Так же продуцируют SS.Транзитные - клетки, находящиеся вблизи меристемы. Они так же продуцируют низкий SD, но имеют самый высокий темп деления.Латеральные - клетки этого типа имитируют «дифференцированные» клетки, которые продуцируют SD.Суспензорные - клетки суспензора. Эти клетки продуцируют BS и располагаются в нижней части зародыша. В модели их всегда две.

Внутренние параметры «клетки» модели: Type – тип клеткиBS0, SS0, SD0 – значения сигналов продуцируемых данной клеткой.BS, SS, SD – значения сигналов с учетом влияния всей ткани.K – отношение стволового сигнала к сигналу дифференцировки, K=SS/SD.T – продолжительность клеточного цикла, T=T(K).Tp – возраст клетки считая от последнего деления.

Темпы делений клеток меристемы побега:

Взаимодействие «клеток» модели:Глобальное взаимодействие Суммарное влияние на клетку с координатой (i, j) есть сумма продуцируемых сигналов по всем клеткам ткани с весами экспоненциально убывающими от расстояния между клетками.

Визуализация модели клеточного автомата:

Результаты моделирования. Нормальное развитие зародыша: I-16 клеточный эмбрион ( - Эпид., - Промеристем, - Латерал., - Суспенз.); II-глобулярная стадия (нет новых клеточных типов), III-сердечковидная стадия ( - Транз.), IV- торпедная стадия ( -Л2Меристем, - Л3Меристем);

Результаты моделирования. Мутантное развитие зародыша: мутация I вида:Модель: чувствительность Promeristem к Signal of Differentiation (больше), чувствительность L2, L3 к Stem Signal (меньше)Организм: cuc1 cuc2 I-16 клеточный эмбрион ( - Эпид., - Промеристем, - Латерал., - Суспенз.); II-глобулярная стадия (нет новых клеточных типов), III-сердечковидная стадия ( - Транз.), IV- торпедная стадия ( -Л2Меристем, - Л3Меристем);

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки):

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки):

Распределение паттернов ауксина в развивающейся апикальной меристеме побега: Иммунная локализация белков PIN1 в эмбрионе: окрашена полярное расположение PIN1 в диком типе (Michniewicz M. et al., 2007) Распределение относительного максимума ауксина, полученное с помощью модели

Распределение паттернов ауксина в развивающейся апикальной меристеме побега: Полярная локализация белков PIN1 на более поздней стадии развития (Steinmann T. et al., 1999) Распределение относительного максимума ауксина, полученное с помощью модели

Выводы: Разработана конвейерная технология конструирования математических моделей генных сетей, включающая следующие этапы: 1) автоматическая генерация базы моделей элементарных подсистем генной сети; 2) реконструкции интегральной математической модели генной сети в компьютерной системе MGSmodeller.Реконструирована структурная модель генной сети метаболизма ауксина в клетке побега Arabidopsis thaliana. Генная сеть содержит 235 молекулярно-генетических подсистем, объединяющих 162 объекта: 62 гена, 56 мРНК и 44 белка. Все молекулярно-генетические процессы распределены по семи компартментам. Логический анализ модели генной сети показал, что она относится к типу систем, поддерживающих внутриклеточный гомеостаз, за счёт наличия в ней отрицательных обратных связей и множественности путей биосинтеза и конъюгации целевого продукта (ауксина). Данный вывод подтверждён численным анализом интегральной математической модели.

Автоматически сгенерированная база математических моделей элементарных подсистем генной сети метаболизма ауксина дополнена моделями, описывающими подсистемы транспорта низкомолекулярных веществ между компартментами клетки. Для моделей элементарных подсистем и интегральной модели подобран оптимальный набор значений параметров, позволяющий адекватно вопроизводить экспериментальные данные, в том числе: стационарное состояние генной сети; процентное содержание в клетке свободной формы ауксина, его эстерифицированной и амидных форм (<1% и 4%, 95% от общего пула ауксина соответственно); наработку амидных форм ауксина в мутантах Arabidopsis thaliana trp3-1 и trp2-1, имеющие нарушения в триптофан синтазах α и β.Компьютерный анализ математической модели показал, что независимо от начальных значений концентраций ауксина и продукта GH3 транскриптов в заданном диапазоне относительных единиц концентрации, происходит быстрая активация ауксином наработки продукта GH3 транскриптов, который ослабляет сигнал ауксина инактивацией ауксина через конъюгацию. Это свидетельствует о быстрых процессах молекулярно-генетической регуляции в ответ на изменение концентрации ауксина в клетке.

Разработана пространственно-распределённая математическая модель развития меристемы побега Arabidopsis thaliana. Для пространственно-распределённой модели подобран оптимальный набор значений параметров, позволяющий адекватно воспроизводить экспериментальные данные, в том числе: пространственное распределение паттернов ауксина в процессе развития апикальной меристемы побега; режимы нормального и анормального развития меристемы, соответствующие таким фенотипам как дикий тип и мутантам cuc1 cuc2 и clv3-2. Из модели предсказано отсутствие других фенотипических проявлений в развитии апикальной меристемы побега. Анализ модели показывает, что развитие меристемы побега Arabidopsis thaliana на ранних этапов достигается на основе взаимодействия минимального набора процессов: ненаправленной диффузии сигнала дифференцировки и анизотропной диффузии базального сигнала. Кроме того, развитие апикальной меристемы побега в основном определяется транспортом сигналов и в меньшей степени, их синтезом.

Благодарности: Лихошвай В.А.Колчанов Н.А.Омельянчук Н.А.Миронова В.В.Казанцев Ф.Озонов Е.А.Ефимов В.М.Безматерных К.Д.Мёлснесс Э.