Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 12
Качественное описание объекта, исследуемого в диссертации 12
Генные сети и молекулярно-генетические системы 15
Классификация генных сетей 16
Основные особенности генных сетей индивидуального развития на примере генных сетей онтогенеза Drosophila melanogaster. 19
1.3 Формальное описание генных сетей и их логический анализ 22
Генные сети и графы 22
Моделирование качественной динамики функционирования генных сетей с помощью сетей Петри 24
Технические средства описания генных сетей 26
Моделирование количественной динамики функционирования генньк сетей развития 31
1.5.1 Химико-кинетическое моделирование 32
Описание ответа клеток на химические вещества 35
Моделирование с учетом топологий графов генных сетей 36
1.5.2 Стохастическое моделирование 40
1.6 Ранее созданные математические модели Hedgehogh-каскада передачи сигналов.
42
Модель фон Дассоу и коллег (2000) 43
Модель Лай и коллег (2004) 46
1.7 Адаптивная эволюция генов и молекулярно-генетических систем 48
Критерий адаптивной молекулярной эволюции 48
Принципиальные ограничения на адаптивную эволюцию генов, детерминирующих морфологические признаки 51
Адаптивная эволюция генов многоклеточных животных 52
Эволюция молекулярно-генетических систем, детерминирующих развитие организмов 59
1.8 Аппарат поиска адаптивных режимов эволюции генов 64
Классические методы выявления событий адаптивной молекулярной эволюции генов 65
Методы выявления событий адаптивной молекулярной эволюции генов, основанные на принципе максимального правдоподобия 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 1 74
II ГЕННЫЕ СЕТИ МОРФОГЕНЕЗА КРЫЛА DROSOPHILA MELANOGASTER:
РЕКОНСТРУКЦИЯ И ЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 75
II. 1 Реконструкция генных сетей с использованием компьютерной технологии
GeneNet 75
II.1.1 Метод реконструкции генных сетей 75
II. 1.2 Информационное наполнение генньк сетей 76
И.2 Логический анализ реконструированных генньк сетей 81
II.2.1 Средства логического анализа генньк сетей 81
И.2.2 Результаты логического анализа генньк сетей 81
11.2.2.1 Анализ связности компонентов генных сетей 81
П.2.2.2 Анализ регуляторных контуров, обнаруженных в генных сетях 85
II.3 Сети регуляторных событий формирования передне-задней и спинно-брюшной
границ компартментов крылового имагинального диска Д melanogaster 94
П.3.1 Реконструкция и анализ сетей регуляторных событий 95
ІІ.3.2 Анализ динамики функционирования регуляторных
контуров-переключателей 96
П.3.3 Сеть регуляторных событий формирования передне-задней границы
компартментов крылового имагинального диска 98
Н.3.4 Сеть регуляторных событий формирования спинно-брюшной границы
компартментов крылового имагинального диска 102
И.3.5 Сети регуляторных событий формирования пространственной разделенности крылового имагинального диска по передне-заднему и спинно-
брюшному направлениям 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 11 ПО
IIIМОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРНОГО КОНТУРА-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ,
ОТВЕТСТВЕННОГО ЗА ФОРМИРОВАНИЕ АНТЕРИОПОСТЕРИОРНОЙ ГРАНИЦЫ
КРЫЛОВОГО ИМАГИНАЛЬНОГО ДИСКА DROSOPHILA MELANOGASTER 112
III. 1 Формулировка математической модели 112
III. 1.1 Биологические предпосылки модели 112
III. 1.2 Аппарат конструирования химико-кинетической схемы ИЗ
III. 1.3 Схема кинетики блока, воспринимающего градиент концентрации
морфогена Hh 114
Ш.2 Метод расчета стационарных решений 121
Ш.З Результаты численного моделирования 124
Ш.3.1 Верификация системы 125
Ш.3.2 Анализ устойчивости к изменениям кинетических параметров 132
Ш.3.3 Анализ адекватности различных гипотез взаимодействия морфогена
Hedgehog и его рецептора Patched 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ III 142
IV АДАПТИВНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ КОМПОНЕНТОВ Hedgehog-КАСКАДА
IV. 1 Материалы и методы анализа эволюции генов Hh-каскада 145
IV.2 Результаты и интерпретация анализа режимов эволюции генов Hh-каскада 154
IV.2.1 Потенциальные точки приложения адаптивной эволюции в Hh-каскаде
передачи сигналов 154
IV.2.2 Эволюция морфогена Hh и компонентов Hh-каскада сигналов, отвечающих
за распространение и восприятие Hh 156
IV.2.3 Эволюция компонентов интеграции Hh-каскада передачи сигналов с
другими сигнальными каскадами 162
IV.2.4 Эволюция специфических компонентов Hh-каскада передачи сигналов.... 165
IV.2.5 Эволюция транскрипционных факторов, связанных с Hh-каскадом 168
IV.2.6 Эволюция молекулярно-генетических систем, детерминирующих
морфогенез и адаптивная эволюция генов Hh-каскада сигналов 173
IV.2.7 Сопоставление режимов эволюции генов Hh-каскада сигналов с
параметрической устойчивостью модели Hh-каскада сигналов 179
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ IV 182
V ЗАКЛЮЧЕНИЕ 183
ВЫВОДЫ 187
ПРИЛОЖЕНИЯ 189
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 190
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одна из центральных задач биологии - изучение фундаментальных принципов морфогенеза животных, в частности молекулярно- генетических и клеточных механизмов, контролирующих развитие. Drosophila melanogaster уже 80 лет является наиболее изученным объектом в генетическом и молекулярном плане среди Bilateria1 [Grumbling G. et al, 2006]. За время исследования D. melanogaster накоплен обширный экспериментальный материал, описывающий процессы, контролирующие развитие D. melanogaster на молекулярно-генетическом, клеточном и тканевом уровнях организации, включая информацию о генах, детерминирующих процессы морфогенеза, кодируемых ими белках, путях передачи сигналов и т.д. В настоящее время появилась возможность теоретического и компьютерного анализа процессов морфогенеза и построения математических моделей отдельных процессов морфогенеза D. melanogaster.
Важнейшее значение для понимания динамики процессов морфогенеза имеет исследование путей передачи сигналов в генных сетях - ансамблях координирование функционирующих генов, детерминирующих процессы развития. Пути передачи сигналов, функционирующие в процессах морфогенеза, обеспечивают восприятие градиентов концентраций морфогенов и их трансформацию в дифференцированные состояния клеток в составе тканей и органов. Согласно современным данным существует всего лишь 7 основных путей передачи сигналов (Hh, Wnt, TGF-p\ RTK, JAK/STAT, Notch, а также путь передачи сигналов ядерных рецепторов), однако именно они обеспечивают все разнообразие морфогенетических процессов [Pires-daSilva A., Sommer R.J., 2003]. Поэтому математическое моделирование систем, в основе которых находятся пути передачи сигналов, особенно важно для изучения динамики функционирования и закономерностей эволюции молекулярно-генетических механизмов,
1 Группа типов многоклеточных животных (Metazoa) имеющих билатеральную симметрию.
2 Краткие названия генов и белков даны в диссертации в соответствии с номенклатурой FlyBase [Grumbling
G. et al, 2006]. Полные названия генов и белков могут быть взяты из Приложения 0.1 к диссертации.
5 контролирующих развитие животных. Следует подчеркнуть, что изучению динамики функционирования метаболических путей посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ [Caspi R. et al, 2006]. В то же время, теоретико-компьютерным исследованиям динамики функционирования путей передачи сигналов в процессах морфогенеза уделяется значительно меньшее внимание [Kanehisa М. et al, 2006]. В связи с этим остаются открытыми вопросы: о роли различных типов регуляторных контуров в процессах развития; особенностях динамики функционирования регуляторных контуров; необходимых и достаточных условиях для функционирования регуляторных контуров.
Известно, что фенотип организма, формирование которого детерминируется генными сетями онтогенеза, ответственен за приспособленность организма к условиям среды. Следовательно, одной из важнейших задач эволюционной биологии является выяснение закономерностей эволюции, как генных сетей онтогенеза, так и отдельных генов, детерминирующих морфогенез [Raff R.A., 1996]. До настоящего времени решению этой задачи уделялось мало внимания. Опубликовано лишь ограниченное количество работ, посвященных эволюции отдельных генов морфогенеза [Kumar S. et al, 1996; Shimeld S.M., 1999; Katoh Y., Katoh M., 2005; Dorus S. et al, 2006]. В ряде работ [Davidson E.H. et al, 1995; Peterson K.J. et al, 2000; Salazar-Ciudad I. et al, 2003; Salazar-Ciudad I., Jernvall J., 2004] исследованы качественные особенности эволюции гипотетических генных ансамблей, контролирующих процессы морфогенеза. Однако исследование эволюции реальных генных сетей морфогенеза Bilateria до настоящего времени не проводилось. Исследование этого вопроса имеет важное значение для понимания эволюции морфогенеза и, в более общем плане, исследования закономерностей эволюции сложных систем.
Цели и задачи исследования
Целью диссертационной работы было 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:
компьютерная реконструкция генных сетей развития крыла D. melanogaster на основе аннотации экспериментальных данных, представленных в научных публикациях;
анализ структурно-функциональной организации этих генных сетей и выявление функционирующих в их составе регуляторных контуров;
построение математической модели процесса распространения и восприятия морфогена, детерминирующего развитие крыла D. melanogaster,
изучение с использованием этой математической модели влияния мутаций на динамику морфогенетических процессов;
компьютерный анализ режимов молекулярной эволюции генных сетей развития крыла D. melanogaster и вьывление адаптивно эволюционирующих генов, функционирующих в составе этих генных сетей.
Научная новизна
Экспериментальные данные из более 300 научных статей впервые систематизированы посредством реконструкции непротиворечивых генных сетей формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крылового имагинального диска D. melanogaster.
На основе теории графов впервые проведен анализ генных сетей развития крыла D. melanogaster. 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.
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
7 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 генной сети, как правило, коррелирует с образованием крупных таксонов Bilateria.
Научная и практическая ценность
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 университетских учебных курсах по проблемам биологии развития.
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.
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.
Проведенный анализ позволил уточнить представления о закономерностях эволюции генных сетей морфогенеза; полученные данные
8 могут быть использованы в университетских 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 г.; международной конференции "The
Fourth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and
Structure" (BGRS'2004) Novosibirsk, Russia July 25-30, 2004; международной
конференции "International Workshop of Biosphere Origin and Evolution" (ВОЕ
2005) Novosibirsk, Russia, June 26-29, 2005; BGRS summer school "The
International School of Young Scientist "Evolution, Systems Biology and High
Performance Computing Bioinformatics" Novosibirsk, Russia, September 11-16,
2005; международной конференции "The Fifth International Conference on
Bioinformatics of Genome Regulation and Structure" (BGRS'2006) Novosibirsk,
Russia July 16-22, 2006; всероссийской конференции
"Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы" Россия, Улан-Удэ, 1-4 июля 2006г.; международной конференции "Genomics, Proteomics Bioinformatics and Nanotechnologies for Medicine" Novosibirsk, Russia July 12-26,2006.
Научные публикации
Статьи в рецензируемых в журналах:
В.В. Суслов, К.В. Гунбин, Н.А. Колчанов Генетические механизмы
кодирования биологической сложности // Экологическая генетика 2004. Т.2.
Выпуск 1.С. 13-26.
К.В. Гунбин, В.В. Суслов, Н.А. Колчанов, Н.А. Омельянчук Генетические
механизмы морфологической эволюции, часть 1 // Сибирский экологический
журнал 2004. Том И. N 5. С. 599-610.
К.В. Гунбин, В.В. Суслов, Н.А. Колчанов, Н.А. Омельянчук Генетические
механизмы морфологической эволюции, часть 2 // Сибирский экологический
журнал. 2004. том И. N 5. С. 611-621.
9 H.A. Колчанов, B.B. Суслов, K.B. Гунбин Моделирование биологической эволюции: регуляторные генетические системы и кодирование биологической организации // Информационный Вестник ВОГИС, 2004, Том 8, №2, С. 86-99.
А.В. Ратушный, В.А. Лихошвай, Е.А. Ананько, Н.В. Владимиров, К.В. Гунбин, С.А. Лашин, Е.А. Недосекина, СВ. 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. К.В. Гунбин, В.В. Суслов, Н.А. Колчанов. Ароморфозы и адаптивная молекулярная эволюция // Информационный Вестник ВОГИС, 2007, Том 11, №2 (в печати).
В.В. Когай, К.В. Гунбин, Л.В. Омельянчук, СИ. Фадеев, Н.А. Колчанов Численное исследование модели рецепции градиента концентрации морфогена Hedgehog. // Сибирский журнал индустриальной математики, 2006, Том. IX, № 3(27) С 66-79.
Статьи в рецензируемых трудах конференций:
Gunbin К.V., Omelyanchuk L.V., Ananko Е.А. Two gene networks underlying the formation of the anterior-posterior and dorso-ventral wing imaginal disc compartment boundaries in Drosophila melanogaster I Proceedings of the fourth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS'20041 Eds. N. Kolchanov et al. I Novosibirsk: IC&G Press. 2004. Vol. 2. P. 56-59.
Omelyanchuk L.V., Gunbin K.V. An elementary module recognizing morphogenetic gradients in tissues I Proceedings of the fourth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS'2004 I Eds. N. Kolchanov et al. I Novosibirsk: IC&G Press. 2004. Vol. 2. P. 117-120. Kogai V.V., Gunbin K.V., Omelyanchuk L.V., Fadeev S.I. A model for sensing the morphogen Hedgehog concentration gradient I: a numerical study I Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and
10 structure, BGRS'20061 Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt I Novosibirsk: IC&G Press. 2006. Vol.2 P. 194-198.
Gunbin K.V., Kogai V.V., Fadeev S.I., Omelyanchuk L.V. A model for sensing the Pedgehog concentration gradient II: a check for adequacy I Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS'2006 I Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt I Novosibirsk: IC&G Press. 2006. Vol. 2. P. 199-203.
Gunbin K.V., Morozov A.V., Afonnikov D.A. A method for semiautomated analysis of gene evolution I Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS'2006 I Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt I Novosibirsk: IC&G Press. 2006. Vol. 3. P. 155-158. Gunbin K.V. Aromorphoses and adaptive molecular evolution: morphogens and signaling cascade genes I Proceedings of the fifth international conference on bioinformatics of genome regulation and structure, BGRS'2006 I Eds. N. Kolchanov and R. Hofestadt / Novosibirsk: IC&G Press. 2006. Vol. 3. P. 159-162. Kabanova A., Novikova 0., Gunbin K., Fet V., Blinov A. Evolutionary relationships and distribution of the different LTR retrotransposon families in plants I 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.
Тезисы в научных трудах конференций
Гунбин К.В., Суслов В.В., Колчанов Н.А. Генетические механизмы
кодирования биологической сложности. / III съезд биофизиков. Тезисы
докладов. / Воронеж: Издательско-полиграфическая фирма "Воронеж". 2004.
Том II, С.764-765.
Когай В.В., Гунбин К. В., Омельянчук Л.В., Фадеев СИ., Колчанов Н.А.
Модель рецепции градиента концентрации морфогена Hedgehog. /
Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы.
Материалы II всероссийской конференции с международным участием /
Улан-Удэ: Издательство Бурятского госуниверситета. 2006. Том 1. С. 168-
174.
Gunbin К.V., Omelyanchuk L.V., Kolchanov N.A. Aromorphoses and the adaptive molecular evolution: Hedgehog signaling cascade genes. I International Workshop "Biosphere Origin and Evolution". Abstracts. I Novosibirsk: Boreskov Institute of Catalysis Press. 2005. P. OP-5.
Gunbin K.V., Omelyanchuk L.V., Kolchanov N.A. Aromorphoses and the adaptive molecular evolution: Hedgehog and Wingless signaling cascade genes. I The 2005 BGRS International Summer School for young scientists "Evolution, Systems Biology and High Performance Computing Bioinformatics". I Novosibirsk: IC&G., . 2005.
Организация материала диссертации
Текст диссертации разбит на главы. Первая глава является аналитическим обзором литературы по предмету исследования. Вторая глава посвящена построению и логическому анализу генных сетей развития крыла D. melanogaster. Третья глава - построению и анализу математической модели рецепции градиента концентрации морфогена Hh. Четвертая глава -анализу режимов эволюции генов генной сети рецепции градиента концентрации морфогена Hh. Некоторые результаты работы вынесены в соответствующие приложения.
Благодарности
Проведенные исследования были бы не возможны без поддержки коллег лаборатории теоретической генетики ИЦиГ СО РАН. Выражаю особую признательность за неоценимую помощь, а также обсуждение использованных методик и полученных результатов, д.б.н. Омельянчуку Леониду Владимировичу, д.ф.-м.н. Фадееву Станиславу Ивановичу, к.б.н. Афонникову Дмитрию Аркадьевичу, к.б.н. Иванисенко Владимиру Александровичу, к.б.н. Матушкину Юрию Георгиевичу, к.б.н. Пономаренко Михаилу Павловичу, к.ф.-м.н. Когаю Владиславу Владимировичу, к.б.н. Лихошваю Виталию Александровичу, н.с. Николаеву Сергею Васильевичу, н.с. Суслову Валентину Владимировичу.
