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 аспирантуры Лаборатория теоретической генетики Сектор молекулярной эволюции Специальность: 03.00.28 – биоинформатика Тема утверждена: Учёный совет, протокол №11 от 07.05.08 Межлабораторный 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. Новосибирск, 2008

Меристема побега Arabidopsis thaliana: Новосибирск, 2008 Апикальная меристема побега (АМП) с формирующимися листьями

Основные гормоны, регулирующие рост и развитие растений: Новосибирск, 2008 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

Цель и задачи исследования: Новосибирск, 2008 Цель: Теоретический анализ регуляторных механизмов поддержания тотипотентности и дифференцировки клеток при развитии меристемы побега Arabidopsis thaliana Задачи: 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. Новосибирск, 2008 Паттерны распределения и накопления ауксина в побеге и корне; Зеленым обозначены места накопления ауксина H. Tanaka et al., 2006 Friml et al., 2003

Химические структуры веществ, обладающих активностью ауксина: Новосибирск, 2008 Ben L. Pederson, 2007

Метаболизм ауксина: Новосибирск, 2008 Woodward and Bartel, 2005 Потенциальные пути биосинтеза ауксина в клетке Арабидопсиса. Пути биосинтеза de novo ИУК из триптофана и его предшественников

Конъюгация ауксина: Новосибирск, 2008 Потенциальные пути метаболизма ауксина в клетке Арабидопсиса. Woodward and Bartel, 2005

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*: Новосибирск, 2008 *-Ananko et al., 2005

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина: *цитоплазма *ядро *клеточная мембрана *пероксисома *ЭПР *хлоропласт *митохондрия Новосибирск, 2008

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина: Новосибирск, 2008

Редуцированная структурная модель генной сети метаболизма ауксина: Новосибирск, 2008

MGSgenerator: блок автоматической конвертации формата ГС в формат моделей: Новосибирск, 2008

MGSmodeller: Компьютерная система для конструирования, расчета и анализа моделей молекулярно-генетических систем: Новосибирск, 2008

Результаты моделирования процентного содержания различных форм ауксина в клетке меристемы побега: В клетках побега Арабидопсиса, свободная форма ауксина и его эстерифицированная форма составляют только

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 белка 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, 2008

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-аланин По 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. Новосибирск, 2008 * - A.W. Woodward and B.Bartel. Auxin: Regulation, Action, and Interaction. Annals of Botany, 95: 707–735, 2005

Эмбриональное развитие меристемы побега Arabidopsis Thaliana Область моделирования Новосибирск, 2008

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, 2008 Сердечковидная стадия развития меристемы побега (Friml et al.,2003)

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, 2008

Внутренние параметры «клетки» модели: Type – тип клетки BS0, 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. Новосибирск, 2008

Темпы делений клеток меристемы побега: Новосибирск, 2008 Промеристем Л2Меристем Л3Меристем Транзитные Латеральные

Взаимодействие «клеток» модели: Глобальное взаимодействие Новосибирск, 2008 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|

Визуализация модели клеточного автомата: Stem signal Differentiation signal Basal signal Новосибирск, 2008

Результаты моделирования. Нормальное развитие зародыша: Новосибирск, 2008

Результаты моделирования. Мутантное развитие зародыша: 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 Новосибирск, 2008 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

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки): В развивающейся АМП Нормальное развитие Новосибирск, 2008 Количество клеток Параметр синтеза сигнала дифференцировки*

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, 2008 Параметр транспорта сигнала дифференцировки* Кол-во клеток

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, 2008

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, 2008

Новосибирск, 2008 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. Выводы:

Новосибирск, 2008 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 (

Новосибирск, 2008 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. Выводы:

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. Новосибирск, 2008