Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на обилие работ, посвященных аллозимному гетерозису, они носят преимущественно описательный, феноменологический характер. В то же время сами механизмы гетерозиса до сих пор остаются нераскрытыми.
Влияние аллозимных генов на количественные признаки нетривиально. Аллельные гены обусловливают небольшие различия в первичной структуре белковой молекулы, которые нередко существенным образом отражаются на кинетических параметрах фермента. Кинетические различия между аллозимами определяют различия в скоростях биохимических реакций, протекающих в клетке, что в свою очередь отражается на структуре и интенсивности метаболизма. Метаболические особенности носителей различных генотипов отражаются на скорости роста и развития, на пищевых потребностях и, в конечном итоге, на непосредственно наблюдаемых количественных признаках.
Ключевой связью в этой причинно-следственной цепочке является зависимость скоростей биохимических реакций от соотношения концентраций кинетически различающихся аллозимов в клетке. Известно, что в ряде случаев скорость ферментативной реакции у носителей гетерозиготных генотипов может превосходить таковую у носителей обеих альтернативных гомозигот (сверхдоминирование), либо наоборот уступать (отрицательное сверхдоминирование).
Это явление до сих пор не получило адекватного объяснения с точки зрения кинетики ферментативных реакций. Для предсказания аллельных взаимодействий до сих пор использовались исключительно кинетические модели без обратных связей, где все реакции обратимы и протекают в стационарном режиме. Однако реальные метаболические пути внутри клетки всегда содержат необратимые стадии и обратные связи: ингибирова-ние/активация ферментов промежуточными низкомолекулярными метаболитами. Более того, обратные связи могут приводить к самопроизвольному развитию концентрационных автоколебаний, которые характерны, в частности, для гликолиза - одного из центральных путей энергетического метаболизма.
Анализ аллельных взаимодействий до сих пор не проведен даже для самых простых моделей, включающих единственную необратимую стадию ферментативного превращения. В то же время подобный анализ давно назрел, и без него невозможно понимание тонких взаимодействий между изоферментами.
Цель и задачи работы. Целью работы является сравнительное исследование различных кинетических моделей (см. Методическую часть) необратимого одноступенчатого ферментативного превращения, катализируемого одним или двумя изоферментами (что соответствует гомо- или гетерозиготе по аллозимному локусу). В частности, были поставлены следующие задачи:
исследовать качественное поведение (число и устойчивость стационарных точек) перечисленных кинетических моделей необратимой реакции, катализируемой одним ферментом или двумя изоферментами с разными кинетическими параметрами, что соответствует гомо- и гетерозиготе;
сравнить количественно скорости потока вещества в стационарном состоянии в гетерозиготе и в альтернативных гомозиготах алгебраическими методами во всем пространстве параметров системы;
сравнить количественно усредненный поток вещества в гетерозиготе и в альтернативных гомозиготах в автоколебательном режиме численными методами.
Научная новизна и практическая значимость. Впервые проведено сравнительное исследование кинетических моделей необратимых реакций у носителей гомо- и гетерозиготных генотипов. Сравнивалось качественное поведение во всем пространстве параметров и скорости потока вещества для гетерозиготы и двух альтернативных гомозигот в стационарном и автоколебательном режиме. Показано, что в модели с автоколебательным режимом могут возникать нетривиальные аллельные взаимодействия по усредненной скорости потока вещества через метаболический путь - сверхдоминирование.
Это открывает новый механизм гетерозиса, который прежде нигде не обсуждался, значение которого может быть очень широким, поскольку центральные пути метаболизма (в частности, гликолиз) реализуют колебательную динамику.
Предложены методические рекомендации для исследования возможных механизмов количественной изменчивости, обусловленных генетически детерминированными особенностями энергетического метаболизма.
Личный вклад автора. Диссертация написана лично автором с использованием собственных результатов. Все математические выкладки проведены автором, все программы также написаны автором. Процент личного участия в исследовании составил не менее 90%.
Апробация результатов работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, были представлены научном семинаре каф. экологии и зоологии ВШУ (Вологда, 12.12.2007), на научном семинаре «Популяционная и эволюционная генетика», ИОГен РАН (Москва, 21.05.2008), на научном семинаре сектора Информатики и биофизики сложных систем каф. биофизики биол. ф-та МГУ (Москва, 18.12.2008), на научном семинаре каф. энзимологии хим. ф-та МГУ (Москва, 20.02.2009), на научном семинаре Института Машиноведения РАН (Москва, 26.04.2009), на научном семинаре «Мутагенез и генетическая безопасность» ИОГен РАН (Москва, 30.06.2009), на совместном семинаре Отдела генетики популяций и природопользования и Лаборатории изменчивости генома ИОГен РАН (Москва, 16.12.2009) и на семинаре Института математических проблем биологии РАН(Пущино, 15.07.2010).
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста и включает 3 таблицы и 14 рисунков. Состоит из введения, обзора литературы, содержащего пять разделов, методической части, результатов и обсуждения, списка литературы, включающего 260 цитированных источников, из которых 236 на иностранных языках. В отдельный том собраны три приложения: в первое приложение вынесены математические выкладки, во втором представлены подробно прокомментированные тексты программ, которые использовались в настоящей работе, в третьем представлены дополнительные иллюстрации.
