Докладчик: м.н.с. Акбердин И. Р. Лаборатория теоретической генетики Отдел системной биологии Специальность: – математическая биология, биоинформатика Научный руководитель: д.б.н., доц. Лихошвай В. А. Тема утверждена: Учёный совет, протокол 11 от Межлабораторный семинар, протокол 5 от Моделирование регуляции развития меристемы побега в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana L.

Объект исследования: Arabidopsis thaliana 1)Один из самых маленьких известных геномов у высших растений (125 млн. пар оснований ) 2) Всего 5 хромосом 3) Короткий жизненный цикл (~35 дней) 4) Большое количество семян (до 5000 на растение) 5)Неприхотлив, легко выращивается в лабораторных условиях, в том числе in vitro Преимущества Арабидопсиса, как модельного организма: Arabidopsis был первым растением, геном которого был полностью секвенирован. Существует программа, по которой к 2012 году планируется определить функции всех генов этого растения. Новосибирск, /36

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

Основные гормоны, регулирующие рост и развитие растений: Новосибирск, Ауксин – основной гормон растений, который регулирует деление клеток и является фактором дифференцировки - Индолилуксусная кислота (ИУК или гетероауксин). 2.Цитокинин - растительный гормон, производный 6-аминопурина; Основной природный цитокинин – зеатин (его синтетический аналог – кинетин); отвечает за поддержание тотипотентности 6-фурфуриламинопурин N N NHNH HNHN CH2CH2 N N C HCHCHCHC HCHHCH CHCH Сверхзадача информационной биологии в области исследований данного объекта: Разработка методов и компьютерного обеспечения, позволяющего воспроизвести развитие данного организма in silico 4/36

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

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., 2006Friml et al., /36

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

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

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

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

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 (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

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, /36

Характеристика ГС* Генная сеть для высших видовГенная сеть для низших видов Компартменты75 Белки175 Реакции6424 Гены155 РНК155 Метаболиты127 * - количество Сравнительный анализ генных сетей метаболизма ауксина у высших и низших видов растений: Новосибирск, /36

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 ( mM); 2) триптофан; 3) GH3 белка. Ось у - концентрация (mM) Ось х – время расчета (сек) Новосибирск, /36

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 ( mM); 2) триптофан; 3) GH3 белка. Ось у - концентрация (mM) Ось х – время расчета (сек) Новосибирск, /36

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

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

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, /36

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

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, /36

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

Относительные единицы периода деления клеток Значение отношения концентраций цитокинина и ауксина в клетке Новосибирск, 2009 Темпы делений клеток меристемы побега : Промеристем Л2Меристем Л3Меристем Транзитные Латеральные 23/36

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

Число клеток Случайные единицы концентрации сигнала в клетке Stem signal Differentiation signal Basal signal Визуализация модели клеточного автомата: Базальная часть эмбриона Апикальная часть эмбриона Новосибирск, /36

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); Новосибирск, Клетки промеристемы -Клетки эпидермиса -Дифферен- цированные клетки -Клетки суспензора 26/36

Sharma V.K. and Fletcher J.C. (2003). Maintenance of Shoot and Floral Meristem Cell Proliferation and Fate. PNAS 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 –831 Результаты моделирования. Мутантное развитие зародыша: Из эксперимента Расчёт модели B Из эксперимента AB I-16 клеточный эмбрион ( - Эпид., - Промеристем, - Латерал., - Суспенз.); II-глобулярная стадия (нет новых клеточных типов), III-сердечковидная стадия ( - Транз.), IV- торпедная стадия ( -Л2Меристем, - Л3Меристем); 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

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки): Влияние параметра синтеза SD (differentiation signal) на эволюцию клеточного автомата (* - значения параметра в относительных единицах) В развивающейся АМП Нормальное развитие Новосибирск, 2009 Количество клеток Параметр синтеза сигнала дифференцировки* 28/36

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

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, /36

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, /36

Новосибирск, Разработана компьютерная технология конструирования математических моделей генных сетей. 2.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

4.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

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

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, /36

Спасибо за внимание!