Моделирование регуляции развития меристемы побега в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana L.


The Presentation inside:

Slide 0

Докладчик: м.н.с. Акбердин И. Р. Лаборатория теоретической генетики Отдел системной биологии Специальность: 03.01.09 – математическая биология, биоинформатика Научный руководитель: д.б.н., доц. Лихошвай В. А. Тема утверждена: Учёный совет, протокол №11 от 07.05.08 Межлабораторный семинар, протокол №5 от 11.04.08 Моделирование регуляции развития меристемы побега в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana L.


Slide 1

Объект исследования: Arabidopsis thaliana Arabidopsis был первым растением, геном которого был полностью секвенирован. Существует программа, по которой к 2012 году планируется определить функции всех генов этого растения. Новосибирск, 2009 2/36


Slide 2

Меристема побега Arabidopsis thaliana: Новосибирск, 2009 Апикальная меристема побега (АМП) с формирующимися листьями 3/36


Slide 3

Основные гормоны, регулирующие рост и развитие растений: Новосибирск, 2009 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 тотипотентности 6-фурфуриламинопурин Сверхзадача информационной биологии в области исследований данного объекта: Разработка методов и компьютерного обеспечения, позволяющего воспроизвести развитие данного организма in silico 4/36


Slide 4

Новосибирск, 2009 Цель: Теоретическое изучение молекулярно-генетических механизмов метаболизма и транспорта фитогормонов, регулирующих рост и развитие апикальной меристемы побега Arabidopsis thaliana. Задачи: Разработка компьютерной технологии конструирования математических моделей регуляторных контуров генных сетей; Реконструкция строения генной сети метаболизма ауксина – регулятора поддержания тотипотентности и дифференцировки клеток при развитии меристемы побега и разработка элементарных математических моделей ее подсистем; Разработка математической модели внутриклеточного метаболизма ауксина с учетом генетической регуляции; Разработка пространственно-распределённой модели развития меристемы побега, протекающего под контролем стволового и базального сигналов, а также сигнала дифференцировки; Проведение численных экспериментов с использованием разработанных моделей и биологическая интерпретация полученных результатов. Цель и задачи исследования: 5/36


Slide 5

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. Накопление и транспорт ауксина: Новосибирск, 2009 Паттерны распределения и накопления ауксина в побеге и корне; Зеленым обозначены места накопления ауксина H. Tanaka et al., 2006 Friml et al., 2003 6/36


Slide 6

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*: *-Ananko et al., 2005 Новосибирск, 2009 7/36


Slide 7

*цитоплазма *ядро *клеточная мембрана *пероксисома *ЭПР *хлоропласт *митохондрия Новосибирск, 2009 Структурная модель генной сети метаболизма ауксина: 8/36


Slide 8

Auxin metabolism gene network UCI,2007 Структурная модель генной сети метаболизма ауксина: Новосибирск, 2009 9/36


Slide 9

Компьютерная технология автоматической генерации математических моделей: SBML системы Новосибирск, 2009 10/36


Slide 10

Результаты моделирования процентного содержания различных форм ауксина в клетке меристемы побега: 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). Karin Ljung, 2002 Расчёты модели: Процентное содержание различных форм ауксина (ИУК) в клетке: По оси y-проценты По оси x-форма ИУК Новосибирск, 2009 Exp- экспериментальные данные 11/36


Slide 11

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 (2) и GH3 белка (1) По 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). Новосибирск, 2009 Момент времени-переключения системы из равновесного состояния в состояние с измененными значениями концентрации ауксина (ИУК) и GH3 белка 12/36


Slide 12

Сравнительный анализ генных сетей метаболизма ауксина у высших и низших видов растений: ГС метаболизма ауксина у высших видов растений ГС метаболизма ауксина у низших видов растений Новосибирск, 2009 13/36


Slide 13

* - количество Сравнительный анализ генных сетей метаболизма ауксина у высших и низших видов растений: Новосибирск, 2009 14/36


Slide 14

Динамика изменения концентраций метаболитов и белков в модели высших видов растений: Расчет модели количественно совпадает с экспериментальными данными: [Sztein E. et al., 2000] 1) ауксин (0.00992 mM); 2) триптофан; 3) GH3 белка. Ось у - концентрация (mM) Ось х – время расчета (сек) Новосибирск, 2009 15/36


Slide 15

Динамика изменения концентраций метаболитов и белков в модели низших видов растений: Расчет модели количественно совпадает с экспериментальными данными: [Sztein E. et al., 2000] 1) ауксин (0.1446 mM); 2) триптофан; 3) GH3 белка. Ось у - концентрация (mM) Ось х – время расчета (сек) Новосибирск, 2009 16/36


Slide 16

Анализ чувствительности модели метаболизма ауксина у высших видов растений: Новосибирск, 2009 17/36


Slide 17

Анализ чувствительности модели метаболизма ауксина у низших видов растений: Новосибирск, 2009 18/36


Slide 18

Анализ чувствительности моделей метаболизма ауксина: Изменение концентрации ауксина в зависисмости от константы деградации Рнк гена gh3. Изменение концентрации ауксина в зависимости от коэффициента Хилла в реакции превращения хоризмата в антранилат. 1 – для высших видов, 2- для низших видов Новосибирск, 2009 19/36


Slide 19

Разработка пространственно – распределённой модели: 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. Новосибирск, 2009 Сердечковидная стадия развития меристемы побега (Friml et al.,2003) 20/36


Slide 20

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. Новосибирск, 2009 21/36


Slide 21

Type – тип клетки BS0, SS0, SD0 – значения сигналов продуцируемых данной клеткой. BS, SS, SD – значения сигналов с учетом влияния клеток 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. Новосибирск, 2009 Внутренние параметры «клетки» модели: 22/36


Slide 22

Новосибирск, 2009 Темпы делений клеток меристемы побега: Промеристем Л2Меристем Л3Меристем Транзитные Латеральные 23/36


Slide 23

Взаимодействие «клеток» модели: Глобальное взаимодействие Новосибирск, 2009 Суммарное влияние на клетку с координатой (i, j) есть сумма продуцируемых сигналов по всем клеткам ткани с весами экспоненциально убывающими от расстояния между клетками. n=|i - k| + |j - m| 24/36


Slide 24

Stem signal Differentiation signal Basal signal Визуализация модели клеточного автомата: Новосибирск, 2009 25/36


Slide 25

Результаты моделирования. Нормальное развитие зародыша: Новосибирск, 2009 26/36


Slide 26

Sharma V.K. and Fletcher J.C. (2003). Maintenance of Shoot and Floral Meristem Cell Proliferation and Fate. PNAS. 100. 11823- 11829. Aida M., Ishida T., Tasaka M. (1999). Shoot apical meristem and cotyledon formation during Arabidopsis embryogenesis: Interaction among the CUP-SHAPED COTYLEDON and SHOOT MERISTEMLESS genes. Development. 119. 823–831 Результаты моделирования. Мутантное развитие зародыша: Новосибирск, 2009 мутация II видам: Модель: пороговое значение параметра К у Promeristem (меньше) Организм: clv3-2 мутация I вида: Модель: чувствительность Promeristem к Signal of Differentiation (больше), чувствительность L2, L3 к Stem Signal (меньше) Организм: cuc1 cuc2 27/36


Slide 27

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки): В развивающейся АМП Нормальное развитие Новосибирск, 2009 Количество клеток Параметр синтеза сигнала дифференцировки* 28/36


Slide 28

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки): Нормальное развитие Мутация II типа Мутация I типа Влияние параметра транспорта SD (differentiation signal) на эволюцию клеточного автомата (* - значения параметра в относительных единицах). В развивающейся АМП Новосибирск, 2009 Параметр транспорта сигнала дифференцировки* Кол-во клеток 29/36


Slide 29

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 Новосибирск, 2009 30/36


Slide 30

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 Новосибирск, 2009 31/36


Slide 31

Новосибирск, 2009 Разработана компьютерная технология конструирования математических моделей генных сетей. Реконструирована генная сеть метаболизма ауксина в клетке побега Arabidopsis thaliana. Выявлены два регуляторных отрицательных контура и восемь путей биосинтеза и конъюгации ауксина. Показано, что регуляторные контуры идентичны для низших и высших классов растений, т.е. они являются консервативными ключевыми факторами поддержания гомеостаза ауксина. Напротив, количество параллельных путей биосинтеза, деградации, конъюгации ауксина растет от низших видов растений к высшим. 3. Разработана математическая модель метаболизма ауксина в клетке растения. Подобран оптимальный набор значений параметров, при котором модель адекватно воспроизводит экспериментальные данные. Выводы: 32/36


Slide 32

Проведен параметрический анализ чувствительности математических моделей метаболизма ауксина у высших и низших видов растений. Сделан вывод, что у низших растений стационарная концентрация ауксина более чувствительна к мутациям, затрагивающим регуляторных контуры. 5. Разработана пространственно-распределённая математическая модель развития меристемы побега Arabidopsis thaliana. Для модели подобран оптимальный набор значений параметров, при котором модель воспроизводит 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. Модель предсказывает отсутствие других фенотипических проявлений в развитии апикальной меристемы побега. Новосибирск, 2009 Выводы: 33/36


Slide 33

Новосибирск, 2009 Выводы: 6. Показано, что развитие меристемы побега Arabidopsis thaliana на ранних этапах обеспечивается ненаправленной диффузией базального и стволового сигналов, сигнала дифференцировки и фиксированным положением клеток суспензора. Также показано, что эффективность синтеза сигналов в клетках слабо влияет на характеристики развивающейся апикальной меристемы побега. 7. Выявлены интервальные значения параметров транспорта и синтеза ауксина, определяющие быстрое увеличение (уменьшение) биомассы надземной части растения. 34/36


Slide 34

Публикации: Семь работ в рецензируемых журналах, из них пять из списка ВАК. Одна публикация представлена в рецензируемой коллективной монографии и одна – в учебном пособии по биоинформатике, десять – в рецензируемых трудах конференций и тринадцать тезисов конференций. По тематике исследования получено два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Новосибирск, 2009 35/36


Slide 35

Спасибо за внимание!


×

HTML:





Ссылка: