Презентация на тему "Моделирование регуляции развития меристемы побега" 9 класс

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  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

• 
  Слайд 2
  

  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

• 
  Слайд 3

  Меристема побега Arabidopsis thaliana:

  Новосибирск, 2008 Апикальная меристема побега (АМП) с формирующимися листьями

• 
  Слайд 4
  

  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

• 
  Слайд 5

  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.

• 
  Слайд 6

  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

• 
  Слайд 7

  Химические структуры веществ, обладающих активностью ауксина:

  Новосибирск, 2008 Ben L. Pederson, 2007

• 
  Слайд 8

  Метаболизм ауксина:

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

• 
  Слайд 9

  Конъюгация ауксина:

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

• 
  Слайд 10

  Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*:

  Новосибирск, 2008 *-Ananko et al., 2005

• 
  Слайд 11

  Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

  *цитоплазма *ядро *клеточная мембрана *пероксисома *ЭПР *хлоропласт *митохондрия Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 12
  

  Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 13

  Редуцированная структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

  Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 14
  

  MGSgenerator: блок автоматической конвертации формата ГС в формат моделей:

  Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 15
  

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

  Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 16
  

  Результаты моделирования процентного содержания различных форм ауксина в клетке меристемы побега:

  В клетках побега Арабидопсиса, свободная форма ауксинаи его эстерифицированная форма составляют только

• 
  Слайд 17
  

  Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК и GH3 белка в клетке в зависимости от начальной концентрации:

  Расчёты модели: Концентрация ИУКи 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

• 
  Слайд 18
  

  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 производитьиндол, который преобразуется в определённые«защитные» вещества (Freyet 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

• 
  Слайд 19

  Эмбриональное развитиемеристемы побега Arabidopsis Thaliana

  Область моделирования Новосибирск, 2008 - Клетки промеристемы -Клетки эпидермиса -Клетки суспензора -Дифферен-цированные клетки

• 
  Слайд 20

  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)

• 
  Слайд 21

  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

• 
  Слайд 22

  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

• 
  Слайд 23

  Темпы делений клеток меристемы побега:

  Относительные единицы периода деления клеток Значение отношения концентраций цитокинина и ауксина в клетке Новосибирск, 2008 Промеристем Л2Меристем Л3Меристем Транзитные Латеральные

• 
  Слайд 24

  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|

• 
  Слайд 25

  Визуализация модели клеточного автомата:

  Число клеток Число клеток Случайные единицы концентрации сигнала в клетке Stem signal Differentiation signal Basalsignal Базальная часть эмбриона Апикальная часть эмбриона Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 26
  

  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

• 
  Слайд 27

  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 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

• 
  Слайд 28
  

  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*

• 
  Слайд 29
  

  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 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

• 
  Слайд 30
  

  Распределение паттернов ауксина в развивающейся апикальной меристеме побега:

  Иммунная локализация белков PIN1 в эмбрионе: окрашенаполярное расположение PIN1 в диком типе (MichniewiczM. et al., 2007) Распределение относительного максимума ауксина, полученное с помощью модели Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 31
  

  Полярная локализация белков PIN1 на более поздней стадии развития (Steinmann T. et al., 1999) Распределение относительного максимума ауксина, полученное с помощью модели Новосибирск, 2008

• 
  Слайд 32
  

  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:

• 
  Слайд 33
  

  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 (

• 
  Слайд 34
  

  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 thalianaна 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:

• 
  Слайд 35

  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