Что такое findslide.org?

FindSlide.org - это сайт презентаций, докладов, шаблонов в формате PowerPoint.


Для правообладателей

Обратная связь

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Яндекс.Метрика

Презентация на тему Моделирование регуляции развития меристемы побега в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana

Содержание

Объект исследования: Arabidopsis thalianaArabidopsis был первым растением, геном которого был полностью секвенирован. Существует программа, по которой к 2010 году планируется определить функции всех генов этого растения.Новосибирск, 2008
Научный руководитель: к.б.н., доц. Лихошвай В. А.Докладчик:асп. ИЦиГ Акбердин И. Р.3 год Объект исследования: Arabidopsis thalianaArabidopsis был первым растением, геном которого был полностью секвенирован. Меристема побега Arabidopsis thaliana:Новосибирск, 2008Апикальная меристема побега (АМП) с формирующимися листьями Основные гормоны, регулирующие рост и развитие растений:Новосибирск, 2008Ауксин – основной гормон растений, Новосибирск, 2008Цель:Теоретический анализ регуляторных механизмов поддержания тотипотентности и дифференцировки клеток при развитии Модель роли ауксина в эмбриогенезе; Зеленым цветом обозначены места накопления ауксина и Химические структуры веществ, обладающих активностью ауксина:Новосибирск, 2008Ben L. Pederson, 2007 Метаболизм ауксина:Новосибирск, 2008Woodward and Bartel, 2005Потенциальные пути биосинтеза ауксина в клетке Арабидопсиса.Пути Конъюгация ауксина:Новосибирск, 2008Потенциальные пути метаболизма ауксина в клетке Арабидопсиса.Woodward and Bartel, 2005 Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*:Новосибирск, 2008*-Ananko et al., 2005 *цитоплазма*ядро*клеточная мембрана*пероксисома*ЭПР*хлоропласт*митохондрияНовосибирск, 2008Структурная модель генной сети метаболизма ауксина: Новосибирск, 2008Структурная модель генной сети метаболизма ауксина: Новосибирск, 2008Редуцированная структурная модель генной сети метаболизма ауксина: MGSgenerator: блок автоматической конвертации формата ГС в формат моделей: Новосибирск, 2008 MGSmodeller: Компьютерная система для конструирования, расчета и анализа моделей молекулярно-генетических систем: Новосибирск, 2008 Результаты моделирования процентного содержания различных форм ауксина в клетке меристемы побега:В клетках Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК и GH3 белка в клетке Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК-аланин в норме и при мутациях (trp2,trp3):Расчёты Эмбриональное развитие меристемы побега Arabidopsis ThalianaОбласть моделированияНовосибирск, 2008 Разработка пространственно – распределённой модели:Основные принципы:Клетки автомата могут обмениваться химическими сигналами. Было Типы клеток автомата:Промеристем - клетки меристемы зародыша. Эти клетки продуцируют SS и Type – тип клеткиBS0, SS0, SD0 – значения сигналов продуцируемых данной клеткой.BS, Новосибирск, 2008Темпы делений  клеток меристемы побега:ПромеристемЛ2МеристемЛ3МеристемТранзитныеЛатеральные Взаимодействие «клеток» модели:Глобальное взаимодействиеНовосибирск, 2008   Суммарное влияние на клетку с Stem signalDifferentiation signalBasal signalВизуализация модели  клеточного автомата:Новосибирск, 2008 Результаты моделирования.  Нормальное развитие зародыша:Новосибирск, 2008 Sharma V.K. and Fletcher J.C. (2003). Maintenance of Shoot and Floral Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки):В развивающейся Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки):Нормальное развитиеМутация Распределение паттернов ауксина  в развивающейся апикальной меристеме побега:Иммунная локализация белков PIN1 Распределение паттернов ауксина  в развивающейся апикальной меристеме побега:Полярная локализация белков PIN1 Новосибирск, 2008Разработана конвейерная технология конструирования математических моделей генных сетей, включающая следующие этапы: Новосибирск, 2008Автоматически сгенерированная база математических моделей элементарных подсистем генной сети метаболизма ауксина Новосибирск, 2008   Разработана пространственно-распределённая математическая модель развития меристемы побега Arabidopsis 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
Слайды презентации

Слайд 2 Объект исследования:
Arabidopsis thaliana
Arabidopsis был первым растением, геном

Объект исследования: Arabidopsis thalianaArabidopsis был первым растением, геном которого был полностью

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)

Меристема побега Arabidopsis thaliana:Новосибирск, 2008Апикальная меристема побега (АМП) с формирующимися листьями


с формирующимися листьями


Слайд 4 Основные гормоны,
регулирующие рост и развитие растений:
Новосибирск, 2008
Ауксин

Основные гормоны, регулирующие рост и развитие растений:Новосибирск, 2008Ауксин – основной гормон

– 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

Сверхзадача информационной биологии в области исследований данного объекта: Разработка методов и компьютерного обеспечения, позволяющего воспроизвести развитие данного организма in silico


Слайд 5 Новосибирск, 2008
Цель:
Теоретический анализ регуляторных механизмов поддержания тотипотентности и

Новосибирск, 2008Цель:Теоретический анализ регуляторных механизмов поддержания тотипотентности и дифференцировки клеток при

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:


Слайд 6 Модель роли ауксина в эмбриогенезе; Зеленым цветом обозначены

Модель роли ауксина в эмбриогенезе; Зеленым цветом обозначены места накопления ауксина

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


Слайд 7 Химические структуры веществ, обладающих активностью ауксина:
Новосибирск, 2008
Ben L.

Химические структуры веществ, обладающих активностью ауксина:Новосибирск, 2008Ben L. Pederson, 2007

Pederson, 2007


Слайд 8 Метаболизм ауксина:
Новосибирск, 2008
Woodward and Bartel, 2005

Потенциальные пути биосинтеза

Метаболизм ауксина:Новосибирск, 2008Woodward and Bartel, 2005Потенциальные пути биосинтеза ауксина в клетке

ауксина в клетке Арабидопсиса.
Пути биосинтеза de novo ИУК из

триптофана и его предшественников

Слайд 9 Конъюгация ауксина:
Новосибирск, 2008
Потенциальные пути метаболизма ауксина в клетке

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

Арабидопсиса.

Woodward and Bartel, 2005


Слайд 10 Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*:
Новосибирск, 2008
*-Ananko et

Структурная модель генной сети метаболизма ауксина*:Новосибирск, 2008*-Ananko et al., 2005

al., 2005


Слайд 11 *цитоплазма
*ядро
*клеточная мембрана
*пероксисома
*ЭПР
*хлоропласт
*митохондрия
Новосибирск, 2008
Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

*цитоплазма*ядро*клеточная мембрана*пероксисома*ЭПР*хлоропласт*митохондрияНовосибирск, 2008Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

Слайд 12


Новосибирск, 2008
Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

Новосибирск, 2008Структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

Слайд 13 Новосибирск, 2008
Редуцированная структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

Новосибирск, 2008Редуцированная структурная модель генной сети метаболизма ауксина:

Слайд 14 MGSgenerator: блок автоматической конвертации формата ГС в формат

MGSgenerator: блок автоматической конвертации формата ГС в формат моделей: Новосибирск, 2008

моделей:


Новосибирск, 2008


Слайд 15 MGSmodeller: Компьютерная система для конструирования, расчета и анализа

MGSmodeller: Компьютерная система для конструирования, расчета и анализа моделей молекулярно-генетических систем: Новосибирск, 2008

моделей молекулярно-генетических систем:
Новосибирск, 2008


Слайд 16 Результаты моделирования процентного содержания различных форм ауксина в

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


Слайд 17 Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК и GH3

Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК и GH3 белка в клетке

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


Слайд 18 Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК-аланин в норме

Результаты моделирования динамики изменения концентрации ИУК-аланин в норме и при мутациях

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


Слайд 19 Эмбриональное развитие меристемы побега Arabidopsis Thaliana
Область моделирования
Новосибирск, 2008

Эмбриональное развитие меристемы побега Arabidopsis ThalianaОбласть моделированияНовосибирск, 2008

Слайд 20 Разработка пространственно – распределённой модели:
Основные принципы:
Клетки автомата могут

Разработка пространственно – распределённой модели:Основные принципы:Клетки автомата могут обмениваться химическими сигналами.

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

Типы клеток автомата:Промеристем - клетки меристемы зародыша. Эти клетки продуцируют SS

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 Type – тип клетки
BS0, SS0, SD0 – значения

Type – тип клеткиBS0, SS0, SD0 – значения сигналов продуцируемых данной

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:


Слайд 23


Новосибирск, 2008
Темпы делений клеток меристемы побега:
Промеристем
Л2Меристем
Л3Меристем
Транзитные
Латеральные

Новосибирск, 2008Темпы делений клеток меристемы побега:ПромеристемЛ2МеристемЛ3МеристемТранзитныеЛатеральные

Слайд 24 Взаимодействие «клеток» модели:
Глобальное взаимодействие
Новосибирск, 2008
Суммарное

Взаимодействие «клеток» модели:Глобальное взаимодействиеНовосибирск, 2008  Суммарное влияние на клетку с

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 Stem signal
Differentiation signal
Basal signal
Визуализация модели клеточного автомата:
Новосибирск, 2008

Stem signalDifferentiation signalBasal signalВизуализация модели клеточного автомата:Новосибирск, 2008

Слайд 26 Результаты моделирования. Нормальное развитие зародыша:
Новосибирск, 2008

Результаты моделирования. Нормальное развитие зародыша:Новосибирск, 2008

Слайд 27 Sharma V.K. and Fletcher J.C. (2003). Maintenance

Sharma V.K. and Fletcher J.C. (2003). Maintenance of Shoot and

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:


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

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки):В

SD (сигнала дифференцировки):
В развивающейся АМП
Нормальное развитие
Новосибирск, 2008

Количество клеток

Параметр синтеза

сигнала дифференцировки*

Слайд 29 Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза

Анализ чувствительности модели к параметрам транспорта и синтеза SD (сигнала дифференцировки):Нормальное

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


Слайд 30 Распределение паттернов ауксина в развивающейся апикальной меристеме побега:
Иммунная

Распределение паттернов ауксина в развивающейся апикальной меристеме побега:Иммунная локализация белков PIN1

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


Слайд 31 Распределение паттернов ауксина в развивающейся апикальной меристеме побега:
Полярная

Распределение паттернов ауксина в развивающейся апикальной меристеме побега:Полярная локализация белков PIN1

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

Новосибирск, 2008Разработана конвейерная технология конструирования математических моделей генных сетей, включающая следующие

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

Новосибирск, 2008Автоматически сгенерированная база математических моделей элементарных подсистем генной сети метаболизма

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:


Слайд 34 Новосибирск, 2008
Разработана пространственно-распределённая математическая модель

Новосибирск, 2008  Разработана пространственно-распределённая математическая модель развития меристемы побега Arabidopsis

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:


  • Имя файла: modelirovanie-regulyatsii-razvitiya-meristemy-pobega-v-embriogeneze-arabidopsis-thaliana.pptx
  • Количество просмотров: 124
  • Количество скачиваний: 0