Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
1 слайд
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
Моделирование регуляции развития меристемы побега в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana
2 слайд
Объект исследования:
Arabidopsis thaliana
Arabidopsis thaliana
Один из самых маленьких известных геномов у высших растений (125 млн. пар оснований )
Всего 5 хромосом
Короткий жизненный цикл (~35 дней)
Большое количество семян (до 5000 на растение)
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 2010 году планируется определить функции всех генов этого растения.
Новосибирск, 2008
3 слайд
Меристема побега Arabidopsis thaliana:
Новосибирск, 2008
Апикальная меристема побега (АМП)
с формирующимися листьями
4 слайд
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
N
N
NH
HN
CH2
N
N
C
HCHC
HCH
CH
Сверхзадача информационной биологии в области исследований данного объекта: Разработка методов и компьютерного обеспечения, позволяющего воспроизвести развитие данного организма in silico
5 слайд
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.
Цель и задачи исследования:
6 слайд
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, 2008
Паттерны распределения и накопления ауксина в побеге и корне;
Зеленым обозначены места накопления ауксина
H. Tanaka et al., 2006
Friml et al., 2003
7 слайд
Химические структуры веществ, обладающих активностью ауксина:
Новосибирск, 2008
Ben L. Pederson, 2007
8 слайд
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
9 слайд
Конъюгация ауксина:
Новосибирск, 2008
Потенциальные пути метаболизма ауксина в клетке Арабидопсиса.
Woodward and Bartel, 2005
10 слайд
Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*:
Новосибирск, 2008
*-Ananko et al., 2005
11 слайд
*цитоплазма
*ядро
*клеточная мембрана
*пероксисома
*ЭПР
*хлоропласт
*митохондрия
Новосибирск, 2008
Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:
12 слайд
Новосибирск, 2008
Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:
13 слайд
Новосибирск, 2008
Редуцированная структурная модель генной сети метаболизма ауксина:
14 слайд
MGSgenerator: блок автоматической конвертации формата ГС в формат моделей:
Новосибирск, 2008
15 слайд
MGSmodeller: Компьютерная система для конструирования, расчета и анализа моделей молекулярно-генетических систем:
Новосибирск, 2008
16 слайд
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, 2008
Exp- экспериментальные данные
17 слайд
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
18 слайд
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
19 слайд
Эмбриональное развитие
меристемы побега Arabidopsis Thaliana
Область моделирования
Новосибирск, 2008
- Клетки промеристемы
-Клетки эпидермиса
-Клетки суспензора
-Дифферен-цированные клетки
20 слайд
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)
21 слайд
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
22 слайд
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
Внутренние параметры «клетки» модели:
23 слайд
Относительные единицы периода деления клеток
Значение отношения концентраций цитокинина и ауксина в клетке
Новосибирск, 2008
Темпы делений
клеток меристемы побега:
Промеристем
Л2Меристем
Л3Меристем
Транзитные
Латеральные
24 слайд
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|
25 слайд
Число клеток
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, 2008
26 слайд
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, 2008
- Клетки промеристемы
-Клетки эпидермиса
-Дифферен-цированные клетки
-Клетки суспензора
27 слайд
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:
Из эксперимента
Расчёт модели
B
Расчёт модели
Из эксперимента
A
B
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, 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
28 слайд
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, 2008
Количество клеток
Параметр синтеза сигнала дифференцировки*
29 слайд
0
50
100
150
200
250
300
350
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
3.7
3.9
4.1
4.3
4.5
4.7
4.9
differentiation signal penentrance*
Number
of cells
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
30 слайд
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
31 слайд
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
32 слайд
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:
33 слайд
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 (<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.
Выводы:
34 слайд
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:
35 слайд
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
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 654 752 материала в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Осипов-Власов Сергей Валентинович. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс профессиональной переподготовки
500/1000 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300/600 ч.
Курс повышения квалификации
72/180 ч.
Курс профессиональной переподготовки
600 ч.
Мини-курс
6 ч.
Мини-курс
4 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.