авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Моделирование регуляции структуры ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега arabidopsis thaliana

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛЯЦИИ СТРУКТУРЫ НИШИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В АПИКАЛЬНОЙ МЕРИСТЕМЕ ПОБЕГА ARABIDOPSIS THALIANA 03.01.09 — Математическая биология, биоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Новосибирск — 2011

Работа выполнена в секторе эволюционной биоинформатики Учре ждения Российской академии наук Института цитологии и генетики CO РАН.

Научный консультант: академик РАН Колчанов Н.А.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Бажан С.И., Государственный научный центр вирусоло гии и биотехнологии «Вектор», Новосибир ская обл., пгт. Кольцово кандидат биологических наук Кочетов А.В., Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный по литехнический университет, Центр перспек тивных исследований, г. Санкт-Петербург

Защита состоится « » 2011 г. на утреннем заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук (Д 003.011.01) при Институте цитологии и генетики Сибирско го отделения РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 10. Факс (383) 333-12-78, e-mail: dissov@bionet.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института цито логии и генетики Сибирского отделения РАН

Автореферат разослан « » 2011 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета, доктор биологических наук Хлебодарова Т. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Функциональной основой возобнови тельных тканей являются стволовые клетки. Поддержание пула ство ловых клеток растений и животных регулируется окружающими клетками — нишей стволовых клеток. Примером возобновительной зоны являются меристемы растений, за счет функционирования ко торых происходит рост растения. В частности, на окончаниях побегов находятся апикальные меристемы побегов (АМП). Изучение механиз мов регуляции структуры ниши стволовых клеток в АМП является темой многочисленных экспериментальных исследований.

В ходе этих исследований было выяснено пространственное рас положение клеток в АМП, составляющих нишу стволовых клеток.

Пространственная структура АМП поддерживается на протяжении всей жизни растения и является необходимым условием поддержа ния размеров пула стволовых клеток [Laux et al., 1996;

Clark et al., 1997;

Reddy, Meyerowitz, 2005;

Sharma et al., 2003].

На основе наблюдений за фенотипическими проявлениями му таций была построена концептуальная схема отношений между неко CLV3 WUS, торыми генами. В частности, подавляет экспрессию гена WUS CLV3.

в то время как активирует экспрессию В самое послед нее время был выяснен возможный молекулярный механизм репрес WUS CLV сии геном [Fletcher, Neyerowitz, 2000;

Fletcher et al., 1999;

Shoff et al., 2000;

Rojo et al., 2002;

Ogawa et al., 2008;

Ogawa et al., 2009].

Однако, несмотря на имеющиеся представления об отдельных деталях (подсистемах) молекулярно-генетической регуляции, общей модели системы такой регуляции до сих пор нет. Поэтому не ясно, какой механизм обеспечивает взаимную регуляцию экспрессии генов в клетках, находящихся в разных пространственных компартментах АМП так, что сохраняется нужная компартментная структура АМП, и длительное время поддерживается пул стволовых клеток (ЦЗ).

Одним из методов изучения сложной регуляторной системы яв ляется математическое моделирование. В 2005 г. Jonsson H. с соавто рами опубликовали работу по моделированию возможного механизма WUS позиционирования зоны экспрессии в центре поперечного среза АМП. Авторы статьи, используя центральную симметрию области, WUS поместили источник сигнала репрессии для в клетки наружно го слоя. Однако, такой механизм трудно применить для рассмотрения WUS позиционирования экспрессии на продольном срезе АМП.

Цель и задачи работы: Целью работы являлось исследова ние возможного механизма поддержания структуры ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега растения методами математи ческого моделирования и компьютерных экспериментов.

задачи:

В ходе работы решались следующие 1. Построение концептуальной модели поддержания структуры ни ши стволовых клеток в апикальной меристеме побега, основанной на CLV WUS взаимной регуляции генов и посредством диффузии их продуктов по клеткам меристемы.

2. Построение одномерной модели механизма позиционирования цен тральной зоны и организационного центра на вертикальной оси ме ристемы и ее изучение методами математического моделирования.

Выяснение способности предложенного механизма обеспечивать по стоянство позиционирования при делениях клеток.

3. Построение двумерной модели регуляции компартментной струк туры апикальной меристемы и ее изучение в компьютерных экспери ментах.

4. Построение вспомогательных моделей типа реакция-диффузия для изучения в компьютерных экспериментах отдельных подсистем изу чаемого механизма.

Научная новизна. Впервые построена модель асимметрично го механизма регуляции ниши стволовых клеток в апикальной мери WUS стеме побега, основанная на гипотезе, что ген активирует экс CLV прессию гена опосредованно через активацию гипотетического Y, гена экспрессия которого разрешена на верхушке меристемы.

Показано, что предложенный механизм может эффективно под держивать пространственное расположение центральной зоны и ор ганизационного центра в меристеме при делении клеток.

Показано, что диффузия сигнальных молекул с одновремен ным их поглощением/распадом может быть механизмом, обеспечива ющим формирование позиционной информации с нужной простран ственной структурой для регуляции экспрессии генов в АМП.

Научная и практическая ценность. Представленная модель способствует лучшему пониманию структурно-функциональной орга низации ниш стволовых клеток, что имеет большое значение в био инженерии тканей.

Модель можно адаптировать для изучения регуляции и функ ционирования ниш стволовых клеток с похожей геометрией или с пространственной структурой со сходной симметрией.

Модель может быть основой для построения и изучения более детальных схем молекулярно-генетической регуляции структуры ни ши стволовых в апикальной меристеме побега.

Положения, выносимые на защиту.

1. Модель асимметричного механизма регуляции ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега, основанная на гипотезе, WUS CLV что ген активирует экспрессию гена опосредованно Y, через активацию гипотетического гена экспрессия которого разрешена на верхушке меристемы.

2. Механизм позиционирования организационного центра в АМП, основанный на связывании CLV3 с CLV1/2 с последующей де градацией комплекса может обеспечить нужную локализацию WUS экспрессии в АМП, если допустить более быструю диф фузию CLV3 по L1 слою, чем по корпусу АМП.

3. Альтернативный механизм, который обеспечивает нужную ло WUS кализацию экспрессии в АМП при гомогенной диффузии CLV3 в АМП, может быть основан на комбинации репрессии через CLV3 с дополнительным репрессором Х, синтез которого происходит вокруг ЦЗ в слое L1.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе работы, докладывались на Российских и международных конференциях:

международная конференция «The 5-th International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS’2006)» (Новосибирск, Россия, 2006 г.);

международная конференция «3-rd Moscow Conference on Computational Molecular Biology» (Москва, Россия, 2007 г.);

международная конференция «THE EIGHTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON SYSTEMS BIOLOGY» (Long Beach, California, USA, 2007 г.);

международная конференция «The Sixth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS’2008)» (Новосибирск, Россия, 2008 г.);

международная конференция «The Seventh International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure Systems Biology (BGRS/SB’2010)» (Новосибирск, Россия, 2010 г.);

III международная конференция «МАТЕМАТИЧЕСКАЯ БИО ЛОГИЯ И БИОИНФОРМАТИКА», (Пущино, Россия, 2010 г.);

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в статьях ( [1–4]), опубликованных в журналах из списка ВАК РФ, и 6 тезисах конференций ( [5–10]).

Личный вклад автора. Рассматриваемая в данной работе мо дель, её варианты и вспомогательные модели, а также их представ ления в формализмах, соответствующих решаемым задачам, были разработаны/выполнены автором. Основные результаты, представ ленные в публикациях, были получены автором.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю академику Н.А. Колчанову за внимание к работе и ценные замечания, У.С. Зубаировой, С.И. Фадееву, Э. Мёл снессу, А.В. Пененко за интересную и плодотворную совместную ра боту, П.С. Деменкову за консультации по пакету LTEX, а также A И.И. Титову, Н.Л. Подколодному, Д.А. Афонникову и всем сотрудни кам лаборатории теоретической генетики, кто так или иначе повлиял на данную работу.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состо ит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка цитирован ной литературы из 161 наименования. Основная часть работы изло жена на 130 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 1 таблицу и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору основных концепций, представлений и экспериментальных данных о формировании функционально-морфологических структур в процессе роста и раз вития организмов со ссылками на соответствующие литературные источники.

Здесь же обсуждаются данные о структуре апикальной мери стемы побега, нише стволовых клеток и генах, участвующих в ре гуляции. В вегетативной АМП различают следующие компартменты (рис. 1,а).

Центральная зона (ЦЗ) расположена в 3-4 верхних слоях мери стемы в радиусе 2-4 клеток от вертикальной оси АПМ. Клетки ЦЗ составляют пул стволовых клеток. Организационный центр (ОЦ) на ходится прямо под ЦЗ, и его толщина в вертикальном направлении составляет 2-3 клетки. Удаляясь в процессе роста и деления от верти кальной оси, клетки ЦЗ становятся клетками переходной зоны (ПЗ).

СLV3, WUS В клетках ЦЗ экспрессируется ген а в клетках ОЦ - ген (соответственно рисунки 1,б,в).

Вокруг зоны ОЦ формируется область клеткок, где синтези руется мембранный комплекс CLV1/CLV2, который является ре цептором для CLV3-пептида, производного от белка CLV3. Пептид CLV3 распространяется от места синтеза и, связываясь с комплексом WUS.

CLV1/CLV2, подавляет экспрессию гена С другой стороны, на WUS основании анализа мутантов пришли к выводу, что активирует CLV3.

Считается, что такие регуляторные отношения между генами (а)— Рис. 1. Продольный срез апикальной меристемы побега Arabidopsis thaliana. 1 центральная зона, 2 переходная зона, 3 органи зационный центр. L1 и L2 слои туники, L3 - клетки корпуса меристе (б) (в) CLV3 WUS мы. и — Области экспресии генов и на продольном Arabidopsis thaliana срезе апикальной меристемы побега (из работы Yadav, et al., 2009).

CLV и WUS являются основой механизма поддержания неизменной структуры ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега.

Главе 2 «Биологические предпосылки и качественное В описание модели» на основе экспериментальных данных сформу лированы основные положения модели:

Y, 1. Имеется некоторый ген экспрессия которого разрешена толь ко в слое L1 апикальной меристемы. В норме его экпрессия ло кализуется на самой верхушке меристемы, и продукт его экс прессии Y диффундирует по меристеме с одновременным рас падом. В результате устанавливается стационарное неоднород ное распределение Y.

2. В зависимости от концентрации Y активирует экспрессию ге CLV3 WUS, CLV нов и и порог активации для выше чем для WUS. CLV Это означает, что в норме зона экспрессии гена рас полагается ближе к верхушке меристемы (к слою L1), а затем WUS.

следует зона экспрессии 3. Продукт некоторого WUS-активируемого гена диффундирует от организационного центра к верхушке меристемы, где он ак Y.

тивирует экспрессию гена Кроме того, «по пути» он акти CLV1 CLV2.

вирует экспрессию генов и Белки CLV1 и CLV образуют гетеродимерный комплекс на поверхности клеток, в которых они синтезируются. Этот комплекс является рецепто ром для пептида, производного от белка CLV3.

4. Белок CLV3 может распространяться по симпласту. Одновре менно от него отрезается пептид, который выходит на поверх ность клеток, и далее может диффундировать по апопласту.

Этот пептид необратимо связывается с рецептором CLV1/CLV на поверхности клеток, и тем самым индуцирует подавление WUS экспрессии в этих клетках.

5. После связывания пептида CLV3 с рецептором CLV1/CLV2, комплекс CLV1/CLV2+CLV3 поглощается клеткой и дегради рует. В результате, по ходу диффузии концентрация пептида CLV3 уменьшается, и внутри меристемы возникает зона, сво WUS, бодная от пептида. В этой зоне разрешена экспрессия гена WUS, и здесь, в случае действительной экспрессии локализует ся организационный центр.

Графическое представление данной концептуальной схемы ме ханизма регуляции пространственной структуры ниши стволовых клеток в АМП изображено на рисунке 2.

Рис. 2. Графическое представление основных положений модели ре гуляции структуры ниши стволовых клеток в АМП. Схема регуля торных отношеий между генами спроецирована на модель продоль ного среза АМП так, что расположение обозначения генов отражает распределение экспрессии этих генов в АМП в норме.

Глава 3 «Изучение устойчивости пространственной ло кализации экспрессии WUS в АМП в одномерном вариан те модели» посвящена разработке и анализу одномерного варианта сформулированной выше модели. Для этого процессы, составляющие основу предложенного механизма регуляции, рассматривались в мас сиве клеток, лежащих на центральной оси апикальной меристемы по бега (рис. 3, в).

Рис. 3. Одномерный вариант модели механизма регуляции генов (б), экспрессия которых локализована вдоль продольной оси 0 в АМП:

Y C W — в слое L1, — в ЦЗ и — в ОЦ. Для сравнения приведена схема регуляции по модели «трёхцветного флага» (а). На продольном срезе АМП (в): ЦЗ — центральная зона, ПЗ — периферическая зона, ОЦ — организационный центр.

WUS При таком подходе регуляция упрощается: репрессия гена осуществляется недиффундирующим веществом, которое интер претируется как комплекс CLV1/2+CLV3. Упрощение диктуется то пологией области, поскольку в одномерном клеточном массиве нет измерения для диффузии-репрессии «по бокам» от ЦЗ. В результате мы получили схему пространственно распределенной регуляции меж ду генами, показанную на рисунке 3-б, что позволило классифициро вать её как модификацию «модели трехцветного флага» (рисунок 3, а) (Wolpert, 1969, J Theor Biol).

Модель формализована в виде автономной системы обыкновен ных дифференциальных уравнений динамики, определяющей в -й клетке, = 1, 2,...,, концентрации веществ Y, C и W с компонен тами, и, соответственно:

1 (1) = ( ) + (2 1 ) 1, (1) = (1 2 + +1 ), = 2, 3,..., 1, = (1 ) — компоненты концентрации вещества Y;

(2) () = ( ), = 1, 2,..., — компоненты концентрации вещества C;

(3) (1) = ( ) + (2 1 ) 1, () = ( ) + (1 2 + +1 ), = 2, 3,..., 1, () = ( ) + (1 ) — компоненты концентрации вещества W.

По разработанной нами процедуре были подобраны параметры модели: = 0.1, = 6, = 1.25, = 5, = 40, = 1, = 1, = 20.5, = 20, = 0.75, = 1.5, = 1, = 30, = 60, = 80, при которых стационарное решение (рисунок 4,а) находится в качественном согласии с опубликованными экспериментальными данными.

Во второй части главы рассмотрен вопрос: может ли данный механизм поддерживать нужное разбиение области на зоны экспрес сии рассматриваемых генов при делении клеток? Для его решения модель была представлена в формализме L-систем, который позво ляет перестраивать клеточную структуру области. При этом в обра зовавшихся дочерних клетках значения концентраций веществ, и наследуются (переписываются) от родительской клетки. При мер изменения структуры системы в результате деления -й клетки схематично изображён на рис. 4,б.

В вычислительных экспериментах показано, что существует на бор параметров, при которых предложенный механизм может под держивать постоянство разбиения клеточного массива на зоны экс прессии на протяжении достаточного периода, несмотря на деления клеток.

Рис. 4. Расположение центральной зоны (1) и организационного цен (а);

тра (2) и соответствующие им уровени экспресси генов и по (б) оси абсцисс номера клеток, начиная от верхушки меристемы. Схе ма наследования параметров при делении -й клетки.

Глава 4 «Изучение регуляции пространственной струк туры ниши стоволовых клеток в АМП, основанной на вза имодействии генов CLV /WUS. Двумерная модель» является центральной. Сначала на основе имеющихся изображений была по строена геометрическая модель продольного среза АМП (рисунок 5).

Для моделирования клеточной структуры АМП на области было по строено разбиение Вороного.

Рис. 5. Модель продольного среза АМП с клеточной структурой. От ношение характерного размера клеток области к радиусу кривизны области близко к аналогичному показателю для продольного среза АМП на микрофотографии из работы Yadav, et al., 2009 (изображе ние обработано нами).

На этой модели продольного среза АМП была построена дина мическая модель пространственно-распределенного механизма регу ляции с сосредоточенными параметрами в точках, представляющих клетки области, и формализующая в виде обыкновенных дифферен циальных уравнений постулаты, сформулированные в главе 2. В ре зультате получилась система уравнений (4).

( ) + ( + ) · = () ( ) + ( + ) · · + = () ( ) + ( + + ) · (4) = () = ( + ) · · + = ·, WUS где,, — концентрации веществ Y, CLV3, WUS (и зависимого диффундирующего агента), и представляют рецептор CVL1/2 и, соответственно, комплекс (CLV1/2+CLV3). — коэффи циенты проницаемости межклеточных стенок для вещества. — объём -й клетки (двумерной), площадь границы (одномерной) между -й и -й клетками. — максимальная скорость синтеза ве щества, —коэффициент распада вещества. — коэффициент скорости образования вещества. — индексная функция, равная 1 для клеток, находящихся на границе клеточного ансамбля.

После обезразмеривания модель была реализована в пакете Cellzilla, по разработанной процедуре были подобраны параметры, и методом установления во времени получено стационарное решение (рис. 6). В настоящее время нет моделей роста и деления клеток в АМП. Поэтому в двумерном варианте модели мы косвенным образом проверяли его способность поддерживать постоянство расположения зон в АМП при делениях клеток — вносили возмущения в стационар ное решение, и наблюдали за последующей динамикой системы.

На рисунке 7 приведен пример релаксационной динамики моде ли после возмущения стационарного состояния шумом с амплитудой 20%.

Каждая траектория на рисунках представляет динамику пере менной состояния в отдельной клетке от возмущенного стационарно го состояния для этой переменной. Видно, что переменные быстро релаксируют к стационарному значению — найденное стационарное решение модели является устойчивым к возмущениям, в том числе и вносимых делением клеток.

В заключение в данной главе рассмотрена способность модели имитировать восстановление ниши стволовых клеток после её разру Рис. 6. Стационарное решение для переменных модели, соответству ющих концентрациям Y, WUS, CLV3. Видно, что максимум концен трации WUS (тёмная область на рисунке) согласуется с локализацией ОЦ относительно верхушки АМП.

CLV1 WUS 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.00 0. 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 Рис. 7. Решение устойчиво к 20% возмущению стационарных концен траций (для примера показаны траектории релаксации концентраций в каждой клетке для WUS и CLV1/2 после возмущений).

шения лазерным выжиганием. Вычислительный эксперимент прово дили по следующей схеме. Взяли стационарное решение и удалили клетки, разрушенной лазером зоны (удалили клетки, соответствую щие ЦЗ и ОЦ). В результате получили область с новыми границами, 1 1,5 Рис. 8. Компьютерная имитация эксперимента по восстановлению WUS экспрессии гена после лазерного разрушения ЦЗ и ОЦ;

время в безразмерных единицах.

и на этой области продолжили вычисление динамики модели.

Основной вывод главы: предложенный механизм поддерживает правильную структуру ниши стволовых клеток в апикальной мери стеме побега.

Пятая глава посвящена обсуждению модели.

Стабильность расстояния от ОЦ до верхушки АМП В разделе его название формулируется как существующая проблема, которую «должна решать» АМП: пространственное расположение зон должно сохраняться несмотря на деления клеток и подавление экспрессии WUS со стороны CLV3. Показано, что модель трёхцветного флага решает эту проблему.

При этом вся пространственная структура механизма регуля Y, ции задается гипотетическим геном морфологически привязанным к слою L1. В связи с этим в следующем разделе главы приводят Особая ся ссылки на опубликованные работы, в которых отмечается роль слоя L1 в функционировании АМП, и которые, следовательно, могут являться аргументами в пользу наличия экспрессии специфи ческих для этого слоя генов, важных для функционирования АМП.

Аргументация к принятой в модели предпосылке, что белок CLV3 распространяется по слоям L1 и L2 быстрее, чем по корпусу АМП, как показано в одноименном разделе, является весьма косвен ной.

Зачем нам в модели нужна такая предпосылка? Мы предпо CLV ложили, что порог Y-зависимой активации выше, чем порог WUS.

активации для Если Y и CLV3 диффундируют изотропно и од нородно, мы не получим решения, когда некоторая изолиния для Y продвинута дальше от верхушки АМП вдоль центральной оси, чем некоторая изолиния для CLV3, и в то же время на периферии около поверхности АМП для этих же изолиний CLV3 продвигается дальше Y. А именно такая ситуация для нас желательна, чтобы экспрессия WUS происходила в нужном месте. Для того, чтобы получить нуж ное нам решение, надо чтобы коэффициент диффузии CLV3 в слое L1 был больше чем в корпусе меристемы.

Откуда прихо В следующем разделе рассматривается вопрос дит сигнал активации экспрессии CLV3 в клетках ЦЗ — сверху или снизу АМП?

Этот вопрос до настоящего времени остается открытым. По нашему мнению, форма области экспрессии гена 3 больше со ответствует активирующему влиянию, распространяющемуся от верхушки АМП, а не от ниже расположенного ОЦ. Для аргументации этого утверждения в следующих подразделах рассмотрены модели с разными вариантами расположения источника активации экспрессии гена 3 в АМП.

Были построены и исследованы следующие модели: (1) актива CLV ция экспрессии в клетках ЦЗ сигналом из ОЦ, (2) активация CLV экспрессии в клетках ЦЗ сигналом из верхушки АМП и (3) CLV3.

комбинация первых двух вариантов регуляции экспрессии Сравнение решений рассмотренных моделей с опубликован CLV ными изображениями области экспрессии в АМП позволило WUS активирует экспрессию CLV3 в клетках ЦЗ утверждать, что опосредованно через активацию экспрессии гена Y в центре слоя L1.

В заключительном разделе Модифицированный механизм ло кализации ОЦ в АМП показано, что можно сохранить принципи альную пространственную структуру предложенного в данной рабо те механизма регуляции и в случае отказа от требования различной скорости диффузии CLV3 в наружном слое и внутри АМП, добавив WUS взамен этого дополнительный репрессор Х для гена (рисунок 9).

Рис. 9. Схема взаимной регуляции генов в модели с дополнительным WUS.

репрессором Х для Этот репрессор Х должен синтезироваться в слое L1 вокруг ЦЗ и диффундировать по АМП с одновременным распадом. Были най дены параметры модели, при стационарное решение модели для рас CLV3 WUS пределения экспрессии/продуктов генов и находились в хорошем согласии с опубликованными экспериментальными данны ми (рисунок 10). На рисунке 10 видно, что стационарное решение CLV3 WUS X Рис. 10. Стационарные концентрации, полученные как решения мо WUS дели с дополнительным репрессором Х для (максимумам соот ветствуют темные области).

модифицированной модели дает правильное расположение зон ЦЗ и ОЦ (CLV3 и WUS соответственно).

ВЫВОДЫ 1. Разработана модель регуляции пространственной структуры ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега ара CLV3 WUS.

бидопсиса, основанная на взаимодействии генов и Экспрессия этих генов происходит в разных клетках, а перенос молекул-регуляторов между клетками осуществляется диффу зией. В вычислительных экспериментах показано, что модель имеет устойчивое решение, качественно согласующееся с экспе риментальными наблюдениями.

2. Показано, что для реализации предложенных в модели регу ляторных отношений между клетками туники, центральной зо ны и организационного центра в апикальной меристеме побега Y, необходимо ввести гипотетический ген экспрессия которого происходит на верхушке меристемы.

3. В вычислительных экспериментах продемонстрировано, что CLV форма и локализация области экспрессии гена в апи кальной меристеме предопределяются активацией экспрессии сигналом, распространяющимся из центра слоя L1, а не из ор ганизационного центра, как это ранее предполагалось другими авторами.

4. Показано, что связывание CLV3 с CLV1/2 с последующей де градацией комплекса может быть механизмом, ограждающим организационный центр от проникновения туда CLV3. В резуль тате в клетках организационного центра происходит экспрессия WUS.

гена 5. Для правильной локализации организационного центра в мери стеме в рамках предлагаемой модели необходима репрессия гена WUS сигналом, который распространяется как из верхушки ме ристемы так и из её периферической зоны. Показано, что такой сигнал репрессии можно получить либо в случае более быст рой диффузии CLV3 в тунике меристемы, чем в корпусе, либо допустив наличие дополнительного диффундирующего репрес сора Х, синтез которого происходит вокруг центральной зоны во внешнем слое клеток.

Список работ автора по теме диссертации Николаев С. В., Колчанов Н. А. Фадеев С. И., Когай В., Мй [1] олснесс Э. Исследование одномерной модели регуляции размеров возобновительной зоны в биологической ткани // Вычислитель ные технологии. — 2006. — Т. 11, № 2. — С. 67–81.

Николаев С. В., Пененко А. В., Лавреха В. В., Мелснесс Э., Кол [2] чанов Н. А. Модельное изучение роли белков СLV1, CLV2, CLV и WUS в регуляции структуры апикальной меристемы побега // Онтогенез. — 2007. — Т. 38, № 6. — С. 457–462.

Николаев С. В., Фадеев С. И., Пененко A. В., Лавреха В. В., Ми [3] ронова В. В., Омельянчук Н. А., Мелснесс E., Колчанов Н. А.

A systems approach to morphogenesis in Arabidopsis thaliana :

II. Modeling the regulation of shoot apical meristem structure // Biophysics.— 2007. — V. 51, Supplement 1, Pp. 83-90.

Николаев С. В., Зубаирова У. С., Фадеев С. И., Мйолснесс Э., [4] Колчанов Н. А. Исследование одномерной модели регуляции раз меров возобновительной зоны в биологической ткани с учётом де ления клеток // Сибирский журнал индустриальной математи ки. — 2010. — Т. 13, № 4(44). — С. 70–82.

Nikolaev S., Fadeev S., Kogay V., Mjolsness E., Kolchanov N. A one [5] dimensional model for the regulation of the size of the renewable zone in biological tissue // Proceedings of the 5-th international conference on bioinformatics of genome regulation and structure. V. 2. — 2006. — Pp. 213–217.

Nikolaev S., Fadeev S., Mjolsness E., Kolchanov N.

[6] Significance of molecular mechanisms of morphogen detection for pattern formation modeling // Proceedings of the 3-rd Moscow Conference on Compu tational Molecular Biology. — 2007. — Pp. 226.

Nikolaev S., Penenko A., Lavreha V., Smal P., Mjolsness E., [7] Kolchanov N. Modeling of the Shoot Apical Meristem Structure Reg ulation Based on CLV1, CLV2, CLV3 and WUS Interactions // Pro ceedings of the 8-th International Conference On Systems Biology ICSB 2007, Long Beach, California, USA. — 2007. — Pp. 29.

Nikolaev S. V., Penenko A. V., Lavreha V. V., Smal P. A., Mjol [8] sness E. D., Kolchanov N. A. A model study of the role of pro teins CLV1, CLV2, CLV3 and WUS in regulation of the structure of the shoot apical meristem // Proceedings of the 6-th International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure. — 2008. — Pp. 172.

Nikolaev S., Zubairova U., Mjolsness E., Smal P., Shapiro B., [9] Kolchanov N. A Model of Shoot Apocal Meristem Compartmental ization Based on CLV/WUS Interplay // Proceedings of the 7-th In ternational Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure Systems Biology — 2010. — Pp. 199.

Nikolaev S., Zubairova U., Mjolsness E., Smal P., Shapiro B., [10] Kolchanov N. A reaction-diffusion model of shoot apical meristem compartmentalization based on CLV/WUS interplay // Proceedings of the 3-rd International Conference on Mathematical Biology and Bioinformatics, Pushchino, Russia — 2010. — Pp. 226.

НИКОЛАЕВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ Моделирование регуляции структуры ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега Arabidopsis thaliana АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Ротапринт Института цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Лаврентьева,

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.