Введение к работе
Актуальность работы. Функциональной основой возобновительных тканей являются стволовые клетки. Поддержание пула стволовых клеток растений и животных регулируется окружающими
клетками нишей стволовых клеток. Примером возобновительной
зоны являются меристемы растений, за счет функционирования которых происходит рост растения. В частности, на окончаниях побегов находятся апикальные меристемы побегов (АМП). Изучение механизмов регуляции структуры ниши стволовых клеток в АМП является темой многочисленных экспериментальных исследований.
В ходе этих исследований было выяснено пространственное расположение клеток в АМП, составляющих нишу стволовых клеток. Пространственная структура АМП поддерживается на протяжении всей жизни растения и является необходимым условием поддержания размеров пула стволовых клеток [Lanx et al., 1996; Clark et al., 1997; Redely, Meyerowitz, 2005; Sharma et al, 2003].
На основе наблюдений за фенотшшческими проявлениями мутаций была построена концептуальная схема отношений между некоторыми генами. В частности, CLV3 подавляет экспрессию гена WUS, в то время как WUS активирует экспрессию CLV3. В самое последнее время был выяснен возможный молекулярный механизм репрессии WUS геном CLVS [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 комнартментах АМП так, что сохраняется нужная комнартмептлая структура АМП, и длительное время поддерживается пул стволовых клеток (ЦЗ).
Одним из методов изучения сложной регуляторной системы является математическое моделирование. В 2005 г. Jonsson Н. с соавторами опубликовали работу по моделированию возможного механизма позиционирования зоны экспрессии WUS в центре поперечного среза АМП. Авторы статьи, используя центральную симметрию области, поместили источник сигнала репрессии для WUS в клетки наружного слоя. Однако, такой механизм трудно применить для рассмотрения позиционирования экспрессии WUS на продольном срезе АМП.
Цель и задачи работы: Целью работы являлось исследование возможного механизма поддержания структуры ниши стволовых
клеток в апикальной меристеме побега растения методами математического моделирования и компьютерных экспериментов. В ходе работы решались следующие задачи:
-
Построение концептуальной модели поддержания структуры ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега, основанной на взаимной регуляции генов CLV и WUS посредством диффузии их продуктов по клеткам меристемы.
-
Построение одномерной модели механизма позиционирования центральной зоны и организационного центра на вертикальной оси меристемы и ее изучение методами математического моделирования. Выяснение способности предложенного механизма обесценивать постоянство позиционирования при делениях клеток.
-
Построение двумерной модели регуляции комлар'тментной структуры апикальной меристемы и ее изучение в компьютерных экспериментах.
-
Построение вспомогательных моделей типа реакция-диффузия для изучения в компьютерных экспериментах отдельных подсистем изучаемого механизма.
Научная новизна. Впервые построена модель асимметричного механизма регуляции ниши стволовых клеток в апикальной меристеме побега, основанная па гипотезе, что ген WUS активирует экспрессию гена CLV3 опосредованно через активацию гипотетического гена Y, экспрессия которого разрешена на верхушке меристемы.
Показано, что предложенный механизм может эффективно поддерживать пространственное расположение центральной зоны и организационного центра в меристеме при делении клеток.
Показано, что диффузия сигнальных молекул с одновременным их поглощением/распадом может быть механизмом, обеспечивающим формирование позиционной информации с нужной пространственной структурой для регуляции экспрессии генов в АМП.
Научная и практическая ценность. Представленная модель способствует лучшему пониманию структурно-функциональной организации ниш стволовых клеток, что имеет большое значение в биоинженерии тканей.
Модель можно адаптировать для изучения регуляции и функционирования 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 ниши стволовых в апикальной меристеме побега.
Положения, выносимые на защиту.
-
Модель асимметричного механизма регуляции ниши стволовых клеток в апикальной меристеме; побега, основанная на гипотезе, что геи WUS активирует экспрессию гена CLV0 опосредованно через активацию гипотетического гена Y, экспрессия которого разрешена на верхушке меристемы.
-
Механизм позиционирования организационного центра в АМП, основанный на связывании CLV3 с CLV1/2 с последующей деградацией комплекса может обеспечить нужную локализацию экспрессии WUS в АМП, если допустить более быструю диффузию CLV3 по L1 слою, чем по корпусу АМП.
-
Альтернативный механизм, который обеспечивает нужную локализацию экспрессии WUS в АМП при гомогенной диффузии CLV3 в АМП, может быть основан на комбинации репрессии через CLV3 с дополнительным репрессором X, синтез которого происходит вокруг ЦЗ в слое Ы.
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 (DGRS'200G)»> (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, 200S 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 БИОЛОГИЯ И БИОИНФОРМАТИКА», (Пущино, Россия, 2010 г.); Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 4
статьях ( |1-4|), опубликованных в журналах из списка ВАК РФ, и 6 тезисах конференций ( |5-10|).
Личный вклад автора. Рассматриваемая в данной работе модель, её варианты и вспомогательные модели, а также их представления в формализмах, соответствующих решаемым задачам, были
разработаны/выполнены автором. Основные результаты, представленные 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, СИ, Фадееву, Э. Мёл-спессу, А.В. Пеиенко за интересную и плодотворную совместную работу, П.С. Демеикову за консультации но пакету KTJjjX, а также И.И. Титову, Н.Л. Подколодному, Д.А. Афошіикову и веем сотрудникам лаборатории теоретической генетики, кто так или иначе повлиял на данную работу.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка цитированной литературы из 161 наименования. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 1 таблицу и 2 приложения.
