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

Константин владимирович компьютерный анализ и моделирование структурно функциональной организации и эволюции генных сетей, контролирующих развитие крыла drosophila melanogaster

На правах рукописи

УДК 575.116:57.087.2:575.852.1:595.773.4 Гунбин Константин Владимирович Компьютерный анализ и моделирование структурно функциональной организации и эволюции генных сетей, контролирующих развитие крыла Drosophila melanogaster 03.00.15 – Генетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

НОВОСИБИРСК 2006

Работа выполнена в Институте цитологии и генетики СО РАН, лаб. теоретической генетики, г. Новосибирск

Научный консультант: член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Николай Александрович Колчанов Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Павел Михайлович Бородин Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск кандидат биологических наук Сергей Иванович Бажан ФГУН Государственный Научный Центр Вирусологии и Биотехнологии «Вектор», г. Новосибирск Ведущее учреждение: Институт молекулярной биологии РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится «» _ 2007 г. на утреннем заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук (Д-003.011.01) в конференц-зале Института цитологии и генетики СО РАН по адресу: 630090, г.Новосибирск, 90, пр. акад. Лаврентьева, 10, тел/факс: (3832) 3331278, e-mail: dissov@bionet.nsc.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института цитологии и генетики СО РАН.

Автореферат разослан «» _ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук Алексей Дмитриевич Груздев Введение Актуальность проблемы. Одна из актуальных проблем биологии изучение молекулярно-генетических механизмов, контролирующих процессы морфогенеза животных. Уже более 80 лет одним из основных лабораторных объектов, на котором производится изучение морфогенеза животных, является Drosophila melanogaster (Grumbling et al., 2006).

Особенно большой прогресс в понимании процессов морфогенеза D. melanogaster был достигнут за последние 10 лет (Brody, 1999). К настоящему времени накоплены огромные объемы экспериментальных данных о различных аспектах (молекулярных, генетических, клеточных) процесса развития D. melanogaster. Выявлены гены, отвечающие за дифференцировку клеток (Held, 2002);

определены паттерны экспрессии множества генов, детерминирующих развитие (Grumbling et al., 2006), а также точные функции продуктов этих генов (Grumbling et al., 2006).

Кроме того, установлено, что пути передачи сигналов Hh, Wnt, TGF-, RTK, JAK/STAT, Notch, а также путь передачи сигналов ядерных рецепторов (Pires-daSilva, Sommer, 2003) играют важнейшую роль в морфогенетических процессах как у D. melanogaster, так и других многоклеточных животных.

Вместе с тем, объемы и разнообразие получаемых экспериментальных данных, а также сложность изучаемых систем и процессов таковы, что дальнейший прогресс в понимании закономерностей морфогенеза D. melanogaster требует применения эффективных информационно компьютерных технологий, а также новых методов анализа данных и моделирования изучаемых явлений (Held, 2002). Однако лишь незначительная часть имеющегося экспериментального материала по морфогенезу D. melanogaster систематизирована на единой основе в компьютерных базах данных (Brody, 1999;

Kanehisa et al., 2006). Это затрудняет формирование целостного представления о генных сетях (ГС) (координированно функционирующих групп генов), контролирующих морфогенез D. melanogaster, и делает исключительно актуальной задачу их компьютерной реконструкции. Одним из эффективных подходов к изучению динамики сложных, многопараметрических систем является математическое моделирование. Особый интерес представляет математическое моделирование путей передачи сигналов в системах генетического контроля морфогенеза D. melanogaster. Так как имеющиеся в настоящее время математические модели этих путей передачи сигналов (von Dassow et al., 2000) не обладают необходимой точностью и полнотой описания, указанная задача имеет исключительно важное значение.

Накопленные к настоящему времени молекулярные данные позволяют поставить вопрос об исследовании закономерностей молекулярной эволюции ГС морфогенеза D. melanogaster. Значимость этой задачи обусловлена тем, что до настоящего времени изучение режимов молекулярной эволюции было сконцентрировано на исследовании отдельных генов, но не затрагивало ГС, контролирующие процессы морфогенеза, в целом.

Цели и задачи исследования. Цель диссертационной работы – изучение структурно-функциональной организации и эволюции молекулярно генетических систем, детерминирующих развитие крыла D. melanogaster, с использованием методов компьютерного анализа и математического моделирования. В этой связи в работе решались следующие задачи: (1) компьютерная реконструкция ГС развития крыла D. melanogaster на основе аннотации экспериментальных данных, представленных в научных публикациях;

(2) анализ структурно-функциональной организации этих ГС и выявление функционирующих в их составе регуляторных контуров;

(3) построение математической модели процессов распространения и восприятия морфогенов, детерминирующих развитие крыла D. melanogaster;

(4) изучение с использованием этой математической модели влияния мутаций на динамику морфогенетических процессов;

(5) компьютерный анализ режимов молекулярной эволюции ГС развития крыла D. melanogaster и выявление адаптивно эволюционирующих генов, функционирующих в составе ГС.

Научная новизна. (1) На основе компьютерной аннотации экспериментальных данных, представленных в 300 научных публикациях, впервые реконструированы генные сети формирования антерио постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster. (2) Анализ графов этих ГС позволил определить типы регуляторных контуров, отвечающих за основные события клеточной дифференцировки. Установлено, что различия в динамике функционирования сетей регуляторных событий формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов обусловлены различным составом элементарных регуляторных контуров, способами их объединения в регуляторные контуры-переключатели и взаимодействием с внешними стимулирующими воздействиями. (3) Впервые в контексте процесса формирования антерио-постериорной границы крылового имагинального диска D. melanogaster построена математическая модель функционирования молекулярного механизма, воспринимающего морфоген Hh, учитывающая пространственную распределенность. Модель позволила уточнить механизм ответа клеток на морфоген Hh, а также исследовать влияние мутаций на динамическую устойчивость некоторых процессов морфогенеза. (4) Впервые проведен комплексный анализ молекулярной эволюции генной сети формирования антерио-постериорной границы компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster и установлено, что адаптивная эволюция транскрипционных факторов, морфогенов и их рецепторов, а также компонентов системы переноса сигнала внутрь ядра клетки, функционирующих в составе этой ГС, как правило, коррелирует с образованием крупных таксонов Bilateria.

Научная и практическая ценность. (1) Реконструкция и анализ генных сетей формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster позволили уточнить и дополнить представления о молекулярно-генетических механизмах, контролирующих процессы развития;

полученные результаты могут быть использованы при планировании экспериментов, а также в учебных курсах по проблемам биологии развития. (2) Математическое моделирование молекулярного механизма, воспринимающего градиент концентрации морфогена Hh, позволило предсказать ранее не известные особенности взаимодействия морфогена Hh с его рецептором и особенности динамики процесса рецепции градиента концентрации морфогена Hh в крыловом имагинальном диске D. melanogaster;

полученные результаты могут быть использованы для планирования экспериментов. (3) Созданная в рамках диссертации компьютерная система конвейерного анализа режимов молекулярной эволюции генов может быть использована для анализа и интерпретации экспериментальных данных, получаемых в рамках проектов по расшифровке геномов про- и эукариот. (4) Проведенный анализ позволил уточнить представления о закономерностях эволюции ГС морфогенеза;

полученные данные могут быть использованы в учебных курсах по проблемам молекулярной эволюции и биологии развития.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены:

на III съезде биофизиков России, Воронеж, 24-29 июня 2004;

конференции «Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы» Россия, Улан-Удэ, 1-4 июля 2006 г.;

на 3 международных конференциях:

«The Fourth and The Fifth International Conferences on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure», Novosibirsk, Russia July 25-30, 2004 and July 16-22, 2006;

«International Workshop of Biosphere Origin and Evolution», Novosibirsk, Russia, June 26-29, 2005;

на Международной школе молодых ученых «The International School of Young Scientist - Evolution, Systems Biology and High Performance Computing Bioinformatics» Novosibirsk, Russia, September 11-16, 2005.

Публикации. Результаты диссертационной работы представлены в публикациях, включая 4 статьи в рецензируемых журналах, и 7 статей в рецензируемых трудах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, и списка литературы. Объем диссертации - страниц машинописного текста, включая 44 рисунка и 7 таблиц. Список литературы включает 430 источников.

Глава 1. Обзор литературы В обзоре литературы рассмотрены: основные положения концепции генных сетей;

методы реконструкции и анализа ГС;

методы моделирования динамики ГС;

особенности существующих методов поиска адаптивных режимов эволюции генов;

ранее созданные математические модели Hedgehogh-каскада передачи сигналов, литературные данные о режимах эволюции генов и молекулярно-генетических систем, детерминирующих развитие многоклеточных животных.

Глава 2. Генные сети морфогенеза крыла Drosophila melanogaster С использованием созданной в ИЦиГ СО РАН базы данных GeneNet (РОСПАТЕНТ № 990006 от 15/02/1999;

Ananko et al., 2005) и на основе аннотации более 300 научных публикаций осуществлена реконструкция ГС формирования передне-задней и спинно-брюшной границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster, включая описание взаимодействий между 95 генами и 150 белками и белковыми комплексами (рис. 1).

A B Pис. 1. Фрагменты генных сетей формирования передне-задней (A) и спинно брюшной (B) границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster. Большой стрелкой отмечены два ключевых объекта генных сетей, имеющих максимальную связность: белок En и ген ct.

Информация о генах и белках структурирована в виде 416 объектов и 657 отношений между ними путем разделения описываемых процессов по различным компартментам и стадиям развития.

Был проведен анализ графов ГС формирования дорсо-вентральной и антерио-постериорной границ имагинальных дисков D. melanogaster.

Оказалось, что в реконструированных ГС имеется малая доля объектов с высокой степенью связности (количеством взаимодействий с другими объектами ГС).

Pис. 2. Регулятор ные контуры ген ных сетей.

Обозначения: ЭРК – элементарные регу ляторные контуры, РКП – регуляторный контур-переключа тель, СРС – сеть ре гуляторных собы тий;

курсивный шрифт - гены, про писной – белки, [act] и [inh] – активатор ная и ингибиторная формы белка, [act nuc] – активаторная ядерная фракция белка;

острая стрел ка – активация, тупая – ингибирова ние.

В ГС формирования антерио-постериорной границы имагинальных дисков D. melanogaster такими объектами являются гены hh, dpp, ptc и белки Сi, En, Fu, в ГС формирования дорсо-вентральной границы - гены ct, e(spl), ser и белки N, Arm, Wg. Существенно, что эти объекты входят в ключевые регуляторные контуры реконструированных ГС.

В реконструированных ГС выявлено 13 элементарных регуляторных контуров (ЭРК), т.е. замкнутых контуров, не содержащих в себе другие контуры, из них 9 контуров c отрицательной обратной связью, 4 контура с положительной обратной связью (табл. 1). ЭРК с положительными обратными связями обеспечивают накопление контролируемых веществ, ЭРК с отрицательными обратными связями обеспечивают возвращение концентрации этих веществ в исходное состояние (Колчанов и др., 2000).

Взаимодействия ЭРК друг с другом могут приводить к образованию более сложных регуляторных конструкций. В результате анализа взаимодействий между ЭРК было обнаружено два регуляторных контура переключателя (РКП). Регуляторные контуры-переключатели имеют один контур с положительной и один контур с отрицательной обратной связью, взаимодействующие друг с другом. На рис. 2 показан РКП, состоящий из двух ЭРК генной сети формирования антерио-постериорной границы имагинальных дисков D. melanogaster.

Взаимодействие РКП с дополнительными ЭРК приводит к формированию сетей регуляторных событий (СРС). Функционирование РКП генной сети формирования антерио-постериорной границы имагинальных дисков D. melanogaster запускается посредством внешнего регуляторного стимула, который нарабатывается дополнительными ЭРК с положительной обратной связью. На рис. 2 показана реконструкция СРС, образованной одним РКП и двумя ЭРК, функционирующей в составе генной сети формирования антерио-постериорной границы имагинальных дисков D. melanogaster.

Таблица 1. Примеры элементарных регуляторных контуров в генных сетях формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster.

Тип регуляторного Описание регуляторных контуров контура Генная сеть формирования антерио-постериорной границы C отрицательной 1 DPP TKV MAD tkv;

обратной связью 2. FU(phos),COS2(phos) CI(act-nuc) ptc PTC FU(phos),COS2(phos);

3 SMO FU(phos),COS2(phos) CI(act-nuc) ptc PTC SMO С положительной 1. EN pc PC en;

обратной связью 2. EN ph PH en Генная сеть формирования дорсо-вентральной границы С положительной WG FZ2 CK DSH PKC SGG ARM обратной связью dl/ser SER/DL N(act) SU(H)(act) ct wg C отрицательной 1. SER/DL N SU(H) e(spl) EN(SPL) ct CT обратной связью dl/ser;

2. AP bx BX ap Обозначения: – активация;

– ингибирование;

(act) – активаторная форма белка;

(act-nuc) – активаторная форма белка, находящаяся в ядре;

(inh) – ингибиторная форма белка;

(phos и nophos) – фосфорилированный и нефосфорилированный белок соответственно;

курсивом обозначены гены, заглавными буквами – белки;

жирным шрифтом выделены начальные и конечные звенья контуров.

Pис. 3. Результаты качественного исследования динамики функционирования сетей регуляторных событий формирования передне-задней (A) и спинно брюшной (B) границ компартментов крылового имагинального диска D.

melanogaster.

Условные обозначения: 0 – отсутствие влияния элементарных регуляторных контуров, обеспечивающих поддержание дифференцировки клеток постериорного (A) и дорсального (B) компартментов;

1 – наличие такого влияния. Сплошными линиями показана устойчивая динамика функционирования, пунктирными – неустойчивая.

Качественное исследование динамики функционирования регуляторных контуров производилось с помощью аппарата сетей Петри. Аппарат сетей Петри (Котов, 1984) позволяет исследовать стационарные потоки веществ на ребрах графов регуляторных контуров и загруженность их вершин.

С помощью сетей Петри был произведен анализ качественной динамики функционирования СРС и РКП формирования антерио постериорной и дорсо-вентральной границ имагинальных дисков D. melanogaster. Каждая из этих СРС содержит центральный модуль РКП и ряд вспомогательных модулей - ЭРК (рис. 2). При появлении внешнего регуляторного стимула (морфоген Нh) происходит переход СРС формирования антерио-постериорной границы в активированное состояние, проявляющееся в возрастании концентрации веществ, запускающих дифференцировку клеток (рис. 3A). После прекращения стимулирующего воздействия рассматриваемая СРС сразу же возвращается в исходное состояние (рис. 3A). В случае СРС формирования дорсо-вентральной границы для перехода СРС в активированное состояние также требуется запускающее воздействие регуляторного стимула (взаимодействие белков N, Dl и Ser) (рис. 3B).

Прекращение стимулирующего воздействия приводит к неустойчивому функционированию СРС формирования дорсо-вентральной границы в активированном состоянии (рис. 3B). Таким образом, динамика функционирования СРС формирования антерио-постериорной и дорсо вентральной границ имагинальных дисков имеет качественные отличия, обусловленные различным составом ЭРК, способами их объединения в РКП и взаимодействием с внешними стимулирующими воздействиями.

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРНОГО КОНТУРА ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ, ОТВЕТСТВЕННОГО ЗА ФОРМИРОВАНИЕ АНТЕРИО-ПОСТЕРИОРНОЙ ГРАНИЦЫ КРЫЛОВОГО ИМАГИНАЛЬНОГО ДИСКА DROSOPHILA MELANOGASTER В главе 3 с помощью методов математического моделирования проведено количественное исследование динамики функционирования регуляторного контура переключателя, ответственного за формирование антерио-постериорной границы крылового имагинального диска Drosophila melanogaster. Система дифференциальных уравнений, описывающих динамику концентрации белков Hh, Ptc, Smo, Ci (ингибиторной формы, цитоплазматической и ядерной фракций активаторной формы), двух форм белкового комплекса CYT (состоящего из белков Cos2, PKA, Su(fu) и Fu) и мРНК гена ptc, имеет вид:

k0 [Ci (a) n ] [ptc] =I+ k3 [ptc] t k1 + k2 [Ci (i) ] + [Ci(a) n ] [Ptc] [Hh] [Ptc] = k3a [ptc] M kd1 [Ptc] t k4 +[Hh] 1 + k4 1 [Hh] [Smo] = L k6 [Smo] t 1 + k4 [Hh] + k5 1 [Ptc] [CYT(c) ] = J k [Smo] [CYT ] kd [CYT ] 7 (c) 2 (c) t [CYT ] (p) = k7 [Smo] [CYT(c) ] kd3 [CYT(p) ] t [Ci ] k8 [Ci(a) ] [CYT(c) ] k11 [Ci (a) ] [CYT(p) ] (a) =K kd 4 [Ci(a) ] + k13 [Ci(a) n ] t k9 + k10 [CYT(p) ] + [Ci (a) ] k12 + [Ci(a) ] [Ci(a) n ] k11 [Ci(a) ] [CYT(p) ] = k13 [Ci a n ] t k12 + [Ci(a) ] [Ci(i) ] k8 [Ci (a) ] [CYT(c) ] (1) = kd5 [Ci (i) ].

t k9 + k10 [CYT(p) ] + [Ci (a) ] Динамические параметры системы подобраны на основе анализа экспериментальных данных.

Процессы распространения морфогена Hh и его деградации описываются в модели уравнением диффузии со «стоком»:

[Hh] 2 [Hh] [Hh] [Ptc] = DH M, Hh(t, 0) = 1, Hh(t, R ) = 0, 0 r R, (2) t r 2 k4 +[Hh] где r – расстояние от постериорного края антерио-постериорной границы компартментов. Следует отметить, что в построенной модели не учитывается разделенность имагинального диска на клетки, A Su(Fu) y y CYT(с) 200 CYT(p) Fu, Cos x 0 1 2 3 4 x B y y Ci(i) 2000 Ci(a)n Ci(i) Ci(a)n x 0 1 2 3 4 x C y Ptc y Sm o Ptc, Smo 0 1 2 3 4 x x Рис. 4. Пространственное рас- D пределение концентраций ряда компонент регуляторного кон тура-переключателя в антери орном компартменте крылового Ptc (M=5M) имагинального диска D.

y Ptc (M=50M) melanogaster.

На графиках по оси х – относи тельное расстояние от антерио-по стериорной границы компартмен- тов в антериорный компартмент, 0 1 2 3 4 по оси y – концентрации x компонентов системы§.

(A) слева* - качественная картина экспериментально наблюдаемого распределения активных компонент высокомолекулярного комплекса CYT(p) (белки Cos2 и Fu) и активированной компоненты комплекса CYT(c) (белок Su(Fu)) в сравнении с результатами расчетов (справа);

(B) слева - качественная картина экспериментально наблюдаемого распределения ингибиторной формы Ci (Ci(i)) и ядерной фракции активаторной формы (Ci(a)) в сравнении с результатами расчетов (справа);

(C) слева - качественная картина экспериментально наблюдаемого распределения Ptc и Smo в сравнении с результатами расчетов (справа);

(D) рассчитанное распределение Ptc при малых (M=5M) и больших (M=50M) отклонениях от нормального значения параметра М, характеризующего скорость инактивации Ptc.

Для экспериментальных данных концентрации: мембранная фракция Ptc – по Casali, Struhl, 2004;

мембранная фракция Smo – по Denef, et al 2000, Zhu et al., 2003;

активированные Fu Su(Fu) и Cos2 – Wang et al., 2000, Methot, Basler, 2000;

Ci(a) и Ci(i) – по Methot, Basler, 1999.

§ - качественные данные об экспериментально наблюдаемых концентрациях приведены в относительных единицах (разы), отражающих пониженную или повышенную концентрацию анализируемых веществ, теоретически рассчитанные концентрации в нМ.

* - точками отмечены качественные экспериментальные данные, линиями показаны сплайн-интерполяции этих данных.

т.к. анализ мутантных по гену сdc2 клонов в крыловом имагинальном диске, участвующему в клеточном цикле, не выявил отличий в ширине антерио-постериорной границы, связанной с диаметром сdc2 мутантных клеток (Weigmann et al., 1997).

При решении системы нас интересовали стационарные состояния, описываемые системой (1) и уравнением диффузии (2). Решение системы (1-2) производилось численным методом, разработанным сотрудниками ИМ СО РАН д.ф-м.н. С.И. Фадеевым и к.ф-м.н. В.В. Когаем. В результате совместного решения системы (1) и уравнения диффузии (2) были определены зависимости концентраций всех компонент системы от r (рис. 4). Оказалось, что теоретически предсказанное поведение концентраций всех компонент системы (1-2) качественно согласуется с экспериментальными данными (см. рис. 4A-C).

Было проведено исследование параметрической устойчивости моделируемой системы. Для этого осуществлялось варьирование каждого из параметров ki системы (1-2) по отдельности в границах [ ki 10 ki 10 ki ].

При варьировании исследуемого параметра ki все остальные параметры системы фиксировались. Оказалось, что при изменениях параметров системы в указанных пределах концентрации компонент системы близки к нормальным значениям (см. пример на рис. 4D). Это свидетельствует о динамической устойчивости процесса формирования клеточного типа антерио-постериорной границы крылового имагинального диска D. melanogaster по отношению к малым изменениям параметров. В то же время при очень больших изменениях некоторых параметров в пределах [ ki 100 ki ki 10;

10 ki ki 100 ki ] картина динамики системы (1-2) качественно меняется (см. пример на рис. 4D).

Глава 4. АДАПТИВНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ КОМПОНЕНТОВ HH-КАСКАДА СИГНАЛОВ Целью главы 4 являлся компьютерный анализ закономерностей эволюции комплекса генов, входящего в состав регуляторного контура переключателя, функционирующего в составе генной сети формирования антерио-постериорной границы компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster. Исследовалась эволюция следующих генов: hh, ptc, smo, disp, cos2, ttv, PKA, shi, slmb, Su(fu), fu, ci, nej. Кроме того, были проанализированы некоторые гены, функционирующие в составе элементарных регуляторных контуров указанной выше генной сети: en, exd и gro. Особое внимание было уделено изучению режимов эволюции генов на ранних этапах образования крупных таксонов Bilateria.

Для анализа режимов эволюции генов была создана компьютерная система, позволяющая осуществлять конвейерный анализ семейств генов и белков, включая: (1) множественное выравнивание генов и белков;

(2) реконструкцию филогенетических деревьев;

(3) поиск адаптивно эволюционирующих участков генов;

(4) картирование событий адаптивной эволюции на филогенетических деревьях. Особенностью проведенного нами анализа режимов эволюции генов являлся комплексный подход, основанный на использовании различных компьютерных методов, данных о структурно-функциональной организации генов, кодируемых ими белков, а также генных сетей, в составе которых они функционируют.

Для поиска событий адаптивной эволюции генов на ветвях, близких к корню филогенетического дерева, был предложен метод двухуровневого анализа парных сравнений генов, основанный на использовании экспресс теста и теста, включающего моделирование эволюции генов.

В экспресс-тесте, предназначенном для предварительной локализации событий адаптивной эволюции на ветвях дерева, использовался ряд критериев, оценивающих различные аспекты адаптивной эволюции генов и белков (Ina, 1995;

Zhang, et. al., 1998;

Comeron, 1995;

Peltier, et al., 2000;

Yang, Nielsen, 2000;

Tang, Wu, 2006). Каждый критерий оценивает адаптивную эволюцию пары сравниваемых последовательностей (i,j) генов и кодируемых ими белков величиной xijreal, изменяющейся в пределах [ 0;

]. Величины xij критериев усредняются. Усредненное значение xij1. интерпретируется как наличие адаптивного режима эволюции, имевшего место в ходе дивергенции рассматриваемых генов и белков.

В тесте, основанном на моделировании эволюции генов, использовался пакет программ PAML (Yang, 1997). Моделирование эволюции заключалось в распределении нуклеотидных и аминокислотных замен по ветвям построенных филогенетических деревьев с использованием марковских моделей замен, с учетом усредненных частот использования кодонов (Nakamura, et al., 2000), частот встречаемости аминокислот в белках, а также длин изучаемых генов (белков). Следует подчеркнуть, что при моделировании эволюции генов (белков) также учитывалось различное давление отбора (Yang, 1997). В результате осуществлялась симуляция набора последовательностей, соответствующих заданной топологии дерева и давлению отбора. Для симулируемой пары генов (белков) (i,j) проводился экспресс-тест, вычислявший величину xijmodel(), которая сравнивалась с величиной xijreal. Для каждой рассматриваемой пары последовательностей (i,j) симуляция эволюции осуществлялась 100 раз при фиксированном значении. Проводилось сравнение распределения величины xijmodel() c реальной величиной xijreal. На основе такого сравнения можно было оценить величины для пары сравниваемых реальных последовательностей и соответствующего им ребра дерева. Величина может быть достоверно меньше или больше 1 (стабилизирующий отбор и движущий отбор соответственно) или достоверно не отличаться от (нейтральная эволюция). На рис. 5 в качестве примера приведены результаты анализа режимов эволюции генов семейства Hh.

Рис. 5. Результаты Strongylocentrotus purpuratus Lytechinus variegatus анализа эволюции Ciona intestinalis генов семейства Hh.

Patella vulgata Серым цветом на Artemia franciscana Achaearanea tepidariorum филогенетическом Euscorpius flavicaudis древе генов семейства 0.1 Anopheles gambiae Hh выделены ветви c Drosophila melanogaster Branchiostoma floridae адаптивной Branchiostoma belcheri эволюцией.

Homo sapiens Mus musculus Danio rerio Notophthalmus viridescens Gallus gallus Mus musculus Rattus norvegicus Homo sapiens A Homo sapiens B Gallus gallus Homo sapiens Rattus norvegicus Mus musculus Meriones unguiculatus Pleurodeles waltl Cynops pyrrhogaster Danio rerio Paralichthys olivaceus Takifugu rubripes A Takifugu rubripes B Astyanax mexicanus Danio rerio Cyprinus carpio Таблица. 2. Корреляция адаптивных режимов эволюции генов с возникновением крупных таксонов Bilateria.

Название гена Функциональная группа События адаптивной гена (ген развития, эволюции генов, домашнего хозяйства) коррелирующие с образованием крупных таксонов животных Гены Hh-каскада сигналов ген развития +(4) Hh ген развития Ptc ген развития +(3) Smo ген развития +(1) Disp ген развития +* Cos домашнего хозяйства Ttv домашнего хозяйства PKA домашнего хозяйства Shi домашнего хозяйства Slmb ген развития +(1) Su(Fu) ген развития +(4) Fu ген развития +(3) Ci ген развития, домашнего Nej хозяйства Гены, тесно связанные с Hh-каскадом передачи сигналов ген развития +(0) En домашнего хозяйства Exd ген развития, домашнего +(2) Gro хозяйства Обозначения: знаком “+” отмечены семейства генов, для которых выявлен адаптивный режим эволюции;

числа в скобках указывают количество событий дивергенции крупных таксонов (уровня класса и выше), с которыми связана адаптивная эволюция генов;

* - отсутствие функциональных гомологов белка у насекомых и позвоночных, низкая степень сходства белков позвоночных.

Результаты филогенетического анализа 16 семейств генов, функционирующих в составе регуляторного контура-переключателя, контролирующего формирование антерио-постериорной границы крыла D. melanogaster приведены в табл. 2 и на рис. 6. Адаптивный режим эволюции был выявлен для 9 семейств генов. Анализ этих результатов приводит к следующим выводам:

1. Адаптивная эволюция транскрипционных факторов, морфогенов и их рецепторов, связанных с онтогенезом, а также компонентов системы переноса сигнала внутрь ядра клетки, как правило, коррелирует с образованием крупных таксонов Bilateria. Например, одно из событий адаптивной эволюции в семействе генов Fu коррелирует с дивергенцией таких крупных таксонов, как позвоночные и членистоногие;

второе событие адаптивной эволюции Fu связано с появлением наземных позвоночных, третье – с появлением млекопитающих (рис. 6).

2. Адаптивная эволюция белков, неспецифических для процессов развития, редка, не связана с образованием таксонов Bilateria и/или протекает задолго до формирования таксонов многоклеточных животных (табл. 2).

Родовое Эон Эра Период разнообразие Кайно зой 100 Мел Мезозой Юра Млн. лет назад Триас рования Mammalia Фанерозой Период форми Пермь Карбон Палеозой Девон рования Tetrapoda Период форми Силур Ордовик Кембрий Период форми Докембрий рования типов Bilateria Nej Su(Fu) Hh Smo Gro Disp Fu Ci Рис. 6. Проекция на геохронологическую шкалу выявленных событий адаптивной эволюции для ряда генов, детерминирующих процессы морфогенеза, функционирующих в составе регуляторного контура-переключателя формирования антерио-постериорной границы компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster.

Знак "" обозначает событие адаптивной эволюции гена, коррелирующие с образованием различных таксонов Bilateria. Разнообразие родов многоклеточных животных в палеонтологической летописи дано по Sepkoski, 1996.

Была предложена гипотеза, объясняющая особенности режимов эволюции генов, детерминирующих процессы морфогенеза Bilateria.

Предполагается, что по мере наращивания морфологической сложности многоклеточных животных количество стадий развития увеличивалось, что приводило к увеличению функциональной нагруженности генов, детерминирующих развитие, и «эволюционному стазису» молекулярно генетических систем, контролирующих развитие.

ВЫВОДЫ 1. С использованием компьютерной технологии GeneNet реконструированы генные сети формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крылового имагинального диска Drosophila melanogaster. Генные сети содержат информацию о генах и 150 белках и белковых комплексах.

2. В результате анализа генных сетей формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster выявлено 13 элементарных регуляторных контуров, т.е. контуров, не содержащих в себе другие контуры. В результате анализа взаимодействий элементарных регуляторных контуров обнаружено два регуляторных контура-переключателя и реконструированы сети регуляторных событий формирования антерио постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster 3. Моделирование с помощью сетей Петри показало, что сети регуляторных событий формирования антерио-постериорной и дорсо вентральной границ имагинальных дисков имеют качественные отличия в динамике функционирования, обусловленные различным составом элементарных регуляторных контуров, способами их объединения в регуляторные контуры-переключатели и взаимодействием с внешними стимулирующими воздействиями.

4. Построена математическая модель молекулярно-генетической системы, ответственной за формирование антерио-постериорной границы крылового имагинального диска D. melanogaster, учитывающая пространственную распределенность процессов развития. Показано качественное соответствие динамики концентраций компонент системы с экспериментальными данными.

5. На основании изучения мутационного портрета модели показана параметрическая устойчивость процессов функционирования регуляторного контура формирования клеточного типа антерио постериорной границы крылового имагинального диска D. melanogaster к малым изменениям динамических параметров.

6. Предложен комплексный подход к исследованию эволюции генных сетей, основанный на интеграции результатов анализа режимов эволюции генов, полученных различными методами, а также на использовании данных о структурно-функциональной организации генов и кодируемых ими белков. На основе предложенного подхода создана компьютерная система конвейерного анализа режимов эволюции генов.

7. С помощью созданной компьютерной системы проанализированы режимы эволюции компонентов Hh-каскада сигналов. Показано, что адаптивная эволюция транскрипционных факторов, морфогенов и их рецепторов, а также компонентов системы переноса сигнала внутрь ядра клетки, как правило, коррелирует с дивергенцией крупных таксонов (типов и надклассов).

Основные публикации:

1. В.В. Суслов, К.В. Гунбин, Н.А. Колчанов Генетические механизмы кодирования биологической сложности // Экологическая генетика 2004. Т.2. Выпуск 1. C. 13-26.

2. К.В. Гунбин, В.В. Суслов, Н.А. Колчанов, Н.А. Омельянчук Генетические механизмы морфологической эволюции, часть 1 // Сибирский экологический журнал 2004. Том 11. N 5. C. 599-610.

3. К.В. Гунбин, В.В. Суслов, Н.А. Колчанов, Н.А. Омельянчук Генетические механизмы морфологической эволюции, часть 2 // Сибирский экологический журнал. 2004. том 11. N 5. C. 611-621.

4. Н.А. Колчанов, В.В. Суслов, К.В. Гунбин Моделирование биологической эволюции: регуляторные генетические системы и кодирование биологической организации // Информационный Вестник ВОГИС, 2004, Том 8, №2, С. 86-99.

5. А.В. Ратушный, В.А. Лихошвай, Е.А. Ананько, Н.В. Владимиров, К.В. Гунбин, С.А. Лашин, Е.А. Недосекина, С.В. Николаев, Л.В. Омельянчук, Ю.Г. Матушкин, Н.А. Колчанов Новосибирская школа системной компьютерной биологии:

исторический экскурс и перспективы развития // Информационный Вестник ВОГИС, 2005, Том 9, №2, С. 232-261.

6. К.В. Гунбин, В.В. Суслов, Н.А. Колчанов. Ароморфозы и адаптивная молекулярная эволюция // Информационный Вестник ВОГИС, 2006, Том 10, №4 (Принято в печать) 7. В.В. Когай, К.В. Гунбин, Л.В. Омельянчук, С.И. Фадеев, Н.А. Колчанов Численное исследование модели рецепции градиента концентрации морфогена Hedgehog. // Сибирский журнал индустриальной математики, 2006, Том. IX, № 3(27) С. 66-79.

8. Gunbin K.V., Omelyanchuk L.V., Ananko E.A. Two gene networks underlying the formation of the anterior-posterior and dorso-ventral wing imaginal disc compartment boundaries in Drosophila melanogaster / Proceedings of the fourth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS’2004 / Eds. N.

Kolchanov et al. / Novosibirsk: IC&G Press. 2004. Vol. 2. P. 56-59.

9. Omelyanchuk L.V., Gunbin K.V. An elementary module recognizing morphogenetic gradients in tissues / Proceedings of the fourth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS’2004 / Eds. N. Kolchanov et al. / Novosibirsk: IC&G Press. 2004. Vol. 2. P. 117-120.

10. Kogai V.V., Gunbin К.V., Omelyanchuk L.V., Fadeev S.I. A model for sensing the morphogen Hedgehog concentration gradient I: a numerical study / Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS’2006 / Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt / Novosibirsk: IC&G Press. 2006.

Vol.2 P. 194-198.

11. Gunbin К.V., Kogai V.V., Fadeev S.I., Omelyanchuk L.V. A model for sensing the Hedgehog concentration gradient II: a check for adequacy / Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS’2006 / Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt / Novosibirsk: IC&G Press. 2006.

Vol. 2. P. 199-203.

12. Gunbin K.V., Morozov A.V., Afonnikov D.A. A method for semiautomated analysis of gene evolution / Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS’2006 / Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt / Novosibirsk: IC&G Press. 2006. Vol. 3. P. 155-158.

13. Gunbin K.V. Aromorphoses and adaptive molecular evolution: morphogens and signaling cascade genes / Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS’2006 / Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt / Novosibirsk: IC&G Press. 2006. Vol. 3. P. 159-162.

14. Kabanova A., Novikova O., Gunbin K., Fet V., Blinov A. Evolutionary relationships and distribution of the different LTR retrotransposon families in plants / Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS’2006 / Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt / Novosibirsk: IC&G Press. 2006.

Vol. 3. P. 163-166.

Подписано к печати _.11.2006 г.

Формат бумаги 60 х 90 1/16. Печ. л. 1. Уч. изд. л. 0, Тираж 100 экз. Заказ.

Ротапринт Института цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. акад. 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.