Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Компьютерный анализ и моделирование структурно-функциональной организации и эволюции генных сетей, контролирующих развитие крыла Drosophila melanogaster

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Компьютерный анализ и моделирование структурно-функциональной организации и эволюции генных сетей, контролирующих развитие крыла Drosophila melanogaster"

г

№

На правах рукописи УДК 575.116:57.087.2:575.852.1:595.773.4

Гунбин Константин Владимирович

□□ЗОБТ6Т8

Компьютерный анализ и моделирование структурно-функниональной организации и эволюции генных сетей, контролирующих развитие крыла БгозорИНа melanogaster

03.00.15-Генетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

НОВОСИБИРСК 2006

003067678

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

Научный руководитель: 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 «_24_» января 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 « IS » A QUitSpS. 200$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 Drosophiîa meîanogaster (Grumbling et al., 2006). Особенно большой прогресс в понимании процессов морфогенеза D. meîanogaster 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. meîanogaster. 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-p, RTK, JAK/STAT, Notch, a также путь передачи сигналов ядерных рецепторов играют важнейшую роль в морфогенетических процессах как у D. meîanogaster, так и других многоклеточных животных (Pires-daSilva, Sommer, 2003),

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. meîanogaster 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. meîanogaster систематизирована на единой основе в компьютерных базах данных (Brody, 1999; Kanehisa et al., 2006). Это затрудняет формирование целостного представления о генных сетях (ГС) (координирование функционирующих групп генов), контролирующих морфогенез D. meîanogaster, 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. meîanogaster. 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 В. 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 О. melcmogaster, с использованием методов компьютерного анализа и математического моделирования. В этой связи в работе решались следующие задачи: (1) компьютерная реконструкция ГС развития крыла В. 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 Д melanogaster, (4) изучение с использованием этой математической модели влияния мутаций на динамику морфогенетических процессов; (5) компьютерный анализ режимов молекулярной эволюции ГС развития крыла О. melanogastгr 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 О. те1апо%Шег. (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 £). melanogaster построена математическая модель функционирования молекулярного механизма, воспринимающего морфоген НЬ, учитывающая пространственную распределенность. Модель позволила уточнить механизм ответа клеток на морфоген НЬ, 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 имагиналыюго 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 14 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 -189 страниц машинописного текста, включая 44 рисунка и 7 таблиц. Список литературы включает 459 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).

Рис. 1. Фрагменты генных сетей формирования передне-задней (А) и спинно-брюшной (В) границ компартментов крылового пмагииалыюго диска /). /яе/ало^еы/ег. Большой стрелкой отмечены два ключевых объекта генных сетей, имеющих максимальную связность: белок Еп и ген си_

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

^гРТС-

SMO

CI[act]

ЭРК1

CI[inh] -

нн ЭРК2

1

-РТС--, SMO

ptc 1

CI[act-nuc] CI[act]

Рис. 2. Регулятор-ные контуры генных сетей.

Обозначения: ЭРК • элементарные регу-ляторные контуры, РКП - регуляторный контур-перекшоча-тель, СРС - сеть ре-гуляторных событий; курсивный шрифт - гены, прописной - белки, [act] и [inh] - активатор-ная и ингибиторная формы белка, [actinic] - активаторная ядерная фракция белка; острая стрелка - активация, тупая - ингибирова-ние.

В ГС формирования антерио-постериорной границы имагинальных дисков D. melanogaster такими объектами являются гены hh, dpp, ptc и белки Ci, 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 с 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).

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

Тип регуляторного контура Описание регуляторных контуров

Генная сеть формирования антерио-постериорной границы

С отрицательной обратной связью 1 DPP->TKV->MAD-"/Av; 2. FU(phos),COS2(phos)-»CI(act-nuc)-»p/c-»PTC -HFU(phos),COS2(phos); 3 SMO->FU(phos),COS2(phos)-*CI(act-nuc) -+pfc-»PTC-«SMO

С положительной обратной связью 1. EN->pc->PC-en; 2. EN->ph->PH~>en

Генная сеть формирования дорсо-вентральной границы

С положительной обратной связью WG-»FZ2->CK-+DSH-»PKC-«SGG-*ARM -♦¿/Aer-»SER/DL-*N(act)-*SU(H)(act)-»c/->H'J?

С отрицательной обратной связью 1. SER/DL-»N-*SU(H)-»e(i^-*EN(SPL)-»c/-»CT ->|dl/ser; 2. AP-+bx-*BX-"ap

Обозначения: -* - активация; - ингибирование; (act) - активаторная форма белка; (act-mc) - 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.

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 Р. melanogaster._______

А

В

0 1 1 0 0 0 0 время 0 0 1 0 0 0 0 время

Рис. 3. Результаты качественного исследования динамики функционирования сетей регуляторных событий формирования передне-задней (А) и спинно-брюшпой (В) границ компартментов крылового имагинального диска Б. melanogaster.

Условные обозначения: 0 - отсутствие влияния элементарных регуляторных контуров, обеспечивающих поддержание дифференцировки клеток постериорного (А) и дорсального (В) 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 О. melanogaster. Каждая из этих СРС содержит центральный модуль -РКП и ряд вспомогательных модулей - ЭРК (рис. 2). При появлении внешнего регуляторного стимула (морфоген НЬ) происходит переход СРС формирования антерио-постериорной границы в активированное состояние, проявляющееся в возрастании концентрации веществ, запускающих дифференцировку клеток (рис. ЗА). После прекращения стимулирующего воздействия рассматриваемая СРС сразу же возвращается в исходное состояние (рис. ЗА). В случае СРС формирования дорсо-вентральной границы для перехода СРС в активированное состояние также требуется запускающее воздействие регуляторного стимула (взаимодействие белков Ы, 01 и Бег) (рис. ЗВ). Прекращение стимулирующего воздействия приводит к неустойчивому функционированию СРС формирования дорсо-вентральной границы в активированном состоянии (рис. ЗВ). Таким образом, динамика функционирования СРС формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ имагинальных дисков имеет качественные отличия,

7

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 ОЯОЗОРНИА МЕЬШОвАБТЕК

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 Вго$орЫ1а melanogaster. Система дифференциальных уравнений, описывающих динамику концентрации белков НЬ, Пс, Это, О (ингибиторной формы, цитоплазматической и ядерной фракций активаторной формы), двух форм белкового комплекса СУТ (состоящего из белков Соб2, РКА, 8и(йа) и Би) и мРНК генарю, имеет вид:

81 *,+*2-[а(1)]+[а<.)_] е/ За ^ J *4+1нц 1 1 J

Ы 1 + *,-'•№] + *,"'-[ОД 6 ЭГСУТ 1

е((с) = .[8то]-[СГГ(с)]-Ы2 -[СУТ(с)]

81

= £, • [Это] • [СУТ(0) ]-кс!г- [СУХ,, ]

£[су к, •[а(„]-[сут(с)] кп ■[ам]-[сут(р)]

ЗЩ.,.] *,,-[С1м]-[СУТ(р)]

5[С!Д] *Ь-[С!М]-[СУГМ] 81 ^+4,0-[С¥Т(р)] + [а(,)]

Ы, -[Сь,]. (1)

Динамические параметры системы подобраны на основе анализа экспериментальных данных.

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

где г - расстояние от постериорного края антерио-постериорной границы компартментов. Следует отметить, что в построенной модели не учитывается разделенность имагинального диска на клетки,

500 --------

-ОТ(е) -СГТ(р)

В

• • 8 • о

-С1{1)

ю---------

£

Рис. 4. Пространственное распределение концентраций рада компонент регуляторного контура-переключателя в аптери-орном компартменте крылового имагиналыгого диска /). melanogaster.

На графиках по оси х — относительное расстояние от антерио-по-стериорной границы компаргмен-тов в антсриорлый компартмент, по оси у - концентрации компонентов системы5.

Б

1«--------------

-Ис (М-50М)

-ТГ-

1 2 3 4 5

(А) 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); (В) слева - качественная картина экспериментально наблюдаемого распределения ингибиторной формы Ci (Ci(j)) и ядерной фракции акгиваторной формы (Ci(a)) в сравнении с результатами расчетов (справа); (С) слева - качественная картина экспериментально наблюдаемого распределения Ptc и Smo в сравнении с результатами расчетов (справа); (D) рассчитанное распределение Ptc при малых (М=5М) и больших (Л</=5(Ш) 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, Basier, 2000; Ci(a) и Ci® - no Methot, Basier, 1999. 5 - качественные данные об экспериментально наблюдаемых концентрациях приведены в относительных единицах (разы), отражающих пониженную или повышенную концентрацию анализируемых веществ, теоретически рассчитанные концентрации в нМ. * - точками отмечем качественные экспериментальные данные, линиями показаны сплайн-интерполяции этих данных.

т.к. анализ мутантных по гену cdc2 клонов в крыловом имагинальном диске, участвующему в клеточном цикле, не выявил отличий в ширине антерио-постериорной границы, связанной с диаметром cdc2 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 г (рис. 4). Оказалось, что теоретически предсказанное поведение концентраций всех компонент системы (1-2) качественно согласуется с экспериментальными данными (см. рис. 4А-С).

Было проведено исследование параметрической устойчивости моделируемой системы. Для этого осуществлялось варьирование каждого из параметров kt системы ( 1 -2) по отдельности в границах [kjï0<ki <10-£,]. При варьировании исследуемого параметра kt 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 [kJiOO^k, <kj\0; <к: <100-^] картина динамики системы (1-2) качественно меняется (см. пример на рис. 4D).

Глава 4. АДАПТИВНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ КОМПОНЕНТОВ НН-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 х0гЫ, изменяющейся в пределах [0;оо]. Величины Ху критериев усредняются. Усредненное значение х^>1.0 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 со (Yang, 1997). В результате осуществлялась симуляция набора последовательностей, соответствующих заданной топологии дерева и давлению отбора. Для симулируемой пары генов (белков) (/,_/) проводился экспресс-тест, вычислявший величину Xynloddl-r"), которая сравнивалась с величиной хуЫ. Для каждой рассматриваемой пары последовательностей (ij) симуляция эволюции осуществлялась 150 раз при фиксированном значении со. Проводилось сравнение распределения величины ^modcl(lu) с реальной величиной х,рл. На основе такого сравнения можно было оценить величины со для пары сравниваемых реальных последовательностей и соответствующего им ребра дерева. Величина со может быть достоверно меньше или больше 1 (стабилизирующий отбор и движущий отбор соответственно) или достоверно не отличаться от 1 (нейтральная эволюция). На рис. 5 в качестве примера приведены результаты анализа режимов эволюции генов семейства Hh. _

Strongylocenirotus purpuratus Lytechinus vartegatus

0.1

u

i Ciona intestinalis - Patella vulgata

--Artemia franciscana

--Achaearanea tepidarlorum

--Euscorpius flavlcaudis

_i----Anopheles gambiae

i---Drosophlla melanogaster

Branchiostoma floridas Branchiostoma belcheri г Homo sapiens 'Rsttusnorvcglais i Mus musculus Danio rerio

Рис. 5. Результаты анализа эволюции генов семейства НЬ.

Серым цветом на филогенетическом древе генов семейства НЬ выделены ветви с адаптивной эволюцией.

Notophthalmus viridescens Gallus gatlus г Mus musculus '- Rattus norvegicus Homo sapiens A Homo sapiens В r— Gallus gallus - j- Homo sapiens 4 r Rattus norvegicus t Mus musculus l Meriones unguiculatus Pleurodeles waltl Cynops pyrrhogastsr Danio rerio

r Paralichttiys olivaceus -[, Takifugu rubripes A ~ Takifugu rubripes В — Astyanax mexicanus H _ Danio rerio ~L Cyprinus carpió_

Таблица. 2. Корреляция адаптивных режимов эволюции генов с

возникновением крупных таксонов ВИа1епа.

Название гена Функциональная группа События адаптивной

гена (ген развития, эволюции генов,

домашнего хозяйства) коррелирующие с образованием крупных 1 таксонов животных

Гены НЬ-каскада сигналов

нь ген развития +(4)

Р1С ген развития -

Бто ген развития +(3)

Вир ген развития +(1)

Со$2 ген развития +*

т домашнего хозяйства -

РКА домашнего хозяйства -

БЫ домашнего хозяйства -

Б1тЬ домашнего хозяйства -

Би^и) ген развития +(1)

Ри ген развития +(4)

а ген развития +(3)

ген развития, домашнего хозяйства -

Гены, тесно связанные с НЬ-каскадом передачи сигналов

Еп ген развития +(0)

Ехй домашнего хозяйства -

Ого ген развития, домашнего хозяйства +(2)

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 О. me!anogaster 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 ВПа1епа. Например, одно из событий адаптивной эволюции в семействе генов Ри коррелирует с дивергенцией таких крупных таксонов, как позвоночные и членистоногие; второе

событие адаптивной эволюции Ри 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 ВПа(епа и/или протекает задолго до формирования таксонов многоклеточных животных (табл. 2)._

0 Эон|Эра Период Количество появившихся родов

о X '5,s 8

100 — >s о Мел •

га 200 о S3 2 Юра f

о га Б к о 8 а. Триас Пермь га s го 5 Е е I?

« 300 2 X га в Карбон

«S t- О

400 о о <0 Девон • > о. «0 ¿1

Силур г . . о. га о to ■е-,® п & я

500 Ордовик /

Кембрий • • • ■ С Щ О d о а.

Докембрий • « * * • . . • s to г °

600 8-p.s «-«в

с 1000 2000 s со Ш о. а о о С

.с о о. -г- з ут V о i Е « £ ^ ° z 5 СО О и СО Рис. 6. Проекция на геохронологнческую шкалу выявленных событий адаптивной эволюции для ряда генов, детерминирующих процессы морфогенеза, функционирующих в составе регуляторного контура-переключателя формирования антерио-постериорной границы компартментов крылового имагиналыюго диска D. melanogaster. Знак "•" обозначает событие адаптивной эволюции гена, коррелирующие с образованием различных таксонов Bilateria. Количество родов многоклеточных животных, появившихся в различные периоды палеонтологической летописи, дано по Sepkoski, 1996, Markov, 1999.

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 95 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

15

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

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

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

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

5. Ратушный А.В., Лихошвай В.А., Ананько Е.А., Владимиров Н.В., Гунбин К.В., Лашин С.А., Недосекина Е.А., Николаев С.В., Омельянчук Л.В., Матушкин Ю.Г., Колчанов Н.А. Новосибирская школа системной компьютерной биологии: исторический экскурс и перспективы развития // Информационный Вестник ВОГИС, 2005, Том 9, №2, С. 232-261.

6. Гунбин К.В., Суслов В.В., Колчанов Н.А. Ароморфозы и адаптивная молекулярная эволюция // Информационный Вестник ВОГИС, 2007, Том 11, №2 (в печати)

7. Когай В.В., Гунбин К.В., Омельянчук Л.В., Фадеев С.И., Колчанов Н.А. 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 Е.А. 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.

16

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 K.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 K.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 retro transposon 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 05.12.2006 г.

Формат бумаги 60 х 90 1/16. Печ. л. 1. Уч. изд. л. 0,7

Тираж 100 экз. Заказ 136.

Ротапринт Института цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. акад. Лаврентьева, 10

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гунбин, Константин Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Качественное описание объекта, исследуемого в диссертации.

1.2 Генные сети и молекулярно-генетические системы.

1.2.1 Классификация генных сетей.

1.2.2 Основные особенности генных сетей индивидуального развития на примере генных сетей онтогенеза Drosophila melanogaster.

1.3 Формальное описание генных сетей и их логический анализ.

1.3.1 Генные сети и графы.

1.3.2 Моделирование качественной динамики функционирования генных сетей с помощью сетей Петри.

1.4 Технические средства описания генных сетей.

1.5 Моделирование количественной динамики функционирования генных сетей развития.

1.5.1 Химико-кинетическое моделирование.

1.5.1.1 Описание ответа клеток на химические вещества.

1.5.1.2 Моделирование с учетом топологий графов генных сетей.

1.5.2 Стохастическое моделирование.

1.6 Ранее созданные математические модели Hedgehogh-каскада передачи сигналов.

1.6.1 Модель фон Дассоу и коллег (2000).

1.6.2 Модель Лай и коллег (2004).

1.7 Адаптивная эволюция генов и молекулярно-генетических систем.

1.7.1 Критерий адаптивной молекулярной эволюции.

1.7.2 Принципиальные ограничения на адаптивную эволюцию генов, детерминирующих морфологические признаки.

1.7.3 Адаптивная эволюция генов многоклеточных животных.

1.7.4 Эволюция молекулярно-генетических систем, детерминирующих развитие организмов.

1.8 Аппарат поиска адаптивных режимов эволюции генов.

1.8.1 Классические методы выявления событий адаптивной молекулярной эволюции генов.

1.8.2 Методы выявления событий адаптивной молекулярной эволюции генов, основанные на принципе максимального правдоподобия.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Компьютерный анализ и моделирование структурно-функциональной организации и эволюции генных сетей, контролирующих развитие крыла Drosophila melanogaster"

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 координированно 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 л 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. 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:

1. компьютерная реконструкция генных сетей развития крыла Д melanogaster на основе аннотации экспериментальных данных, представленных в научных публикациях;

2. анализ структурно-функциональной организации этих генных сетей и выявление функционирующих в их составе регуляторных контуров;

3. построение математической модели процесса распространения и восприятия морфогена, детерминирующего развитие крыла Д melanogaster,

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

5. компьютерный анализ режимов молекулярной эволюции генных сетей развития крыла D. melanogaster и выявление адаптивно эволюционирующих генов, функционирующих в составе этих генных сетей.

Научная новизна

1. 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 Д. melanogaster.

2. На основе теории графов впервые проведен анализ генных сетей развития крыла Д. 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.

3. Впервые в контексте процесса формирования антерио-постериорной границы крылового имагинального диска Д 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 генной сети, 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 университетских 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 генных сетей морфогенеза; полученные данные 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 11. N5. С. 611-621.

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.

A.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.

К.В. Гунбин, В.В. Суслов, Н.А. Колчанов. Ароморфозы и адаптивная молекулярная эволюция // Информационный Вестник ВОГИС, 2007, Том 11, №2 (в печати).

B.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.

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 / 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.

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. 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 / 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.

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 / 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.

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. 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. 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.

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 JI.B., Фадеев С.И., 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. 168174.

Gunbin К.V., Omelyanchuk L.V., Kolchanov N.A. Aromorphoses and the adaptive molecular evolution: Hedgehog signaling cascade genes. / International Workshop "Biosphere Origin and Evolution". Abstracts. / 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. / The 2005 BGRS International Summer School for young scientists "Evolution, Systems Biology and High Performance Computing Bioinformatics". / Novosibirsk: IC&G., http://www.bionet.nsc.ru/meeting/bgrsschool/site/participants.html. 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.

I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Гунбин, Константин Владимирович

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 95 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 других контуров. 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 различия 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 антериопостериорной границы крылового имагинального диска D. melanogaster к малым изменениям динамических параметров. 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.

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) многоклеточных животных.

V ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию структурно-функциональной организации и эволюции генных сетей, контролирующих развитие крыла Drosophila melanogaster. Эти исследования направлены на решение одной из актуальных задач молекулярной биологии развития и теории эволюции - изучения молекулярно-генетических основ динамики функционирования и закономерностей эволюции механизмов, контролирующих развитие животных.

В главе 2 диссертации с помощью теории графов проводится анализ информации, содержащейся в генных сетях формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ компартментов крыла D. melanogaster. Было показано, что элементарные регуляторные контуры (ЭРК), содержащие отрицательные и положительные обратные связи, играют важнейшую роль в процессах клеточной дифференцировки. Предположение о важнейшей роли в генных сетях дифференцировки контуров положительных обратных связей подтвердилось (см. гл. 1.2 и гл. II). С помощью сетей Петри был произведен анализ качественной динамики функционирования сетей регуляторных событий (СРС) и регуляторных контуров-переключателей (РКП) участвующих в формировании антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ имагинальных дисков D. melanogaster. Каждая из этих СРС содержит центральный модуль - РКП и ряд вспомогательных модулей - ЭРК. При появлении внешнего регуляторного стимула происходит переход РКП формирования антерио-постериорной границы в активированное состояние, проявляющееся в возрастании концентрации веществ, запускающих дифференцировку клеток. После прекращения стимулирующего воздействия рассматриваемый РКП возвращается в исходное состояние. В случае РПК формирования дорсо-вентральной границы при определенных условиях (высокое сродство активаторной формы центрального транскрипционного фактора Su(H) к промоторам эффекторных генов ct и vg) для перехода в активированное состояние требуется лишь запускающее воздействие регуляторного стимула, однако это состояние не является устойчивым. Таким образом, динамика функционирования СРС формирования антерио-постериорной и дорсо-вентральной границ имагинальных дисков имеет качественные различия, обусловленные различным составом ЭРК, способами их объединения в РКП и взаимодействием с внешними стимулирующими воздействиями. Эти свойства динамики функционирования изученных СРС помогает понять причины устойчивости клеточной дифференцировки, а также причины всевозможных изменений состояния клеточных дифференцировки, зачастую, приводящих к канцерогенезу. Важно, что молекулярно-генетические механизмы развития сходны у различных многоклеточных животных, поэтому обнаруженные структурно-функциональные особенности молекулярных механизмов морфогенеза могут быть общими для всех многоклеточных животных [Pires-daSilva A., Sommer R.J., 2003].

В главе 3 диссертации на основе анализа генной сети антерио-постериорной границы компартментов крыла D. melanogaster с помощью численного моделирования построена модель блока генной сети, осуществляющего рецепцию градиента концентрации морфогена Hedgehog (Hh). Моделируемый блок генной сети детерминирует формирование специфического клеточного типа антерио-постериорной границы крыла D. melanogaster. Важно, что при учете биологически адекватных значений кинетических параметров системы, была показана устойчивость моделируемой системы к малым изменениям кинетических параметров, но чувствительность к существенным изменениям кинетических параметров. Подобное свойство означает высокую чувствительность морфогенетического процесса к мутациям различных типов, что очень важно при исследованиях закономерностей эволюции морфогенеза [Raff R.A., 1996]. Известно, что клетки антерио-постериорной границы крыла D. melanogaster являются организатором морфогенеза крыла [Held L.I., 2002]. Интересно, что этот организатор морфогенеза необходим лишь некоторое время в процессе развития крыла [Held L.I., 2002]. Организаторы морфогенеза, имеющие сходную динамику функционирования, есть и у млекопитающих [Rossant J., Tarn P., 2002]. Следовательно, построенная модель может быть полезна при исследовании динамики функционирования и закономерностей эволюции молекулярно-генетических систем развития позвоночных и, в частности, млекопитающих. Построенная модель также предсказывает ранее неизвестные молекулярно-биологические особенности процесса взаимодействия морфогена Hh и его рецептора. Эти результаты могут быть особенно полезны для планирования экспериментов по дальнейшему исследованию Hh-каскада сигналов, являющегося одной из основ молекулярно-генетических механизмов морфогенеза животных [Pires-daSilva A., Sommer R.J., 2003; Huangfii D., Anderson K.V., 2006].

В главе 4 диссертации проведено исследование закономерностей эволюции генов Hh-каскада сигналов, а также генов связанных с ним. Для проведения исследования на основе анализа имеющихся в мире методов поиска адаптивных событий эволюции генов, был предложен комплексный подход исследования эволюции молекулярно-генетических систем (см. гл. 1.8 и гл. IV). Предложенный подход исследования эволюции молекулярно-генетических систем основан на интеграции данных о структурно-функциональной организации генных сетей, функциях доменов белков и взаимосогласованных результатах анализа режимов эволюции генов различными методами, что значительно увеличивает точность предсказания событий адаптивной эволюции. На базе предложенного подхода создана компьютерная система конвейерного анализа режимов эволюции генов и молекулярно-генетических систем. С использованием созданной компьютерной системы впервые было установлено, что адаптивная эволюция транскрипционных факторов, морфогенов и их рецепторов, а также компонентов системы переноса сигнала внутрь ядра клетки, являющихся важнейшими компонентами молекулярно-генетических механизмов морфогенеза, обычно коррелирует с образованием крупных таксонов Bilateria. Полученная в ходе исследования информация позволила уточнить ранее предложенную теорию эволюции молекулярно-генетических систем морфогенеза многоклеточных животных [Davidson Е.Н. et al., 1995; Knoll А.Н., Carroll S.B., 1999; Peterson K.J. et al., 2000]. С помощью сопоставления режимов эволюции генов Hh-каскада сигналов с критическими кинетическими параметрами модели Hh-каскада сигналов (см. гл. Ill, IV) прояснилась закономерность эволюции молекулярно-генетических систем морфогенеза, изменение которых может быть одним из главных причин ароморфозов в группе Bilateria. По мере наращивания морфологической сложности, вследствие увеличения количества стадий развития, темпы эволюционных преобразований генов молекулярных механизмов морфогенеза существенно замедлялись. Изменяться функционально без потери жизнеспособности организма могли лишь дуплицированные копии генов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гунбин, Константин Владимирович, Новосибирск

1. Abascal F., Zardoya R., Posada D. ProtTest: selection of best-fit models of protein evolution. Bioinformatics. 21(9):2104-2105,2005.

2. Akashi H. Within- and between-species DNA sequence variation and the 'footprint' of natural selection. Gene. 238(1):39-51,1999.

3. Akimaru H., Chen Y., Dai P., Hou D.X., Nonaka M., Smolik S.M., Armstrong S., Goodman R.H., Ishii S. Drosophila СВР is a co-activator of cubitus interruptus in hedgehog signalling. Nature. 386(6626):735-738,1997.

4. Alia H., David R., Continuous and Hybrid Petri Nets. Journal of Circuits Systems Computers., 8(1):159-188,1998.

5. Altschul S.F., Madden T.L., SchafFer A.A., Zhang J., Zhang Z., Miller W., Lipman D.J. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res. 25(17):3389-3402,1997.

6. Ananko E.A., Podkolodny N.L., Stepanenko I.L., Ignatieva E.V., Podkolodnaya O.A., Kolchanov N.A. GeneNet: a database on structure and functional organisation of gene networks. Nucleic Acids Res. 30(1):398-401,2002.

7. Ananko E.A., Podkolodny N.L., Stepanenko I.L., Podkolodnaya O.A., Rasskazov D.A., Miginsky D.S., Likhoshvai V.A., Ratushny A.V., Podkolodnaya N.N., Kolchanov N.A. GeneNet in 2005. Nucleic Acids Res. 33(Database issue):D425-D427,2005.

8. Apidianakis Y., Grbavec D., Stifani S., Delidakis C. Groucho mediates a Ci-independent mechanism of hedgehog repression in the anterior wing pouch. Development. 128(21):4361-4370,2001.

9. Apionishev S., Katanayeva N.M., Marks S.A., Kalderon D., Tomlinson A. Drosophila Smoothened phosphorylation sites essential for Hedgehog signal transduction. Nat. Cell Biol. 7(l):86-92,2005.

10. Archetti M. Genetic robustness and selection at the protein level for synonymous codons. J Evol Biol. 19(2):353-365,2006.

11. Archetti M. Selection on codon usage for error minimization at the protein level. J Mol Evol. 59(3):400-415,2004.

12. Ascano M.Jr., Nybakken K.E., Sosinski J., Stegman M.A., Robbins D.J. The carboxyl-terminal domain of the protein kinase fused can function as a dominant inhibitor of hedgehog signaling. Mol Cell Biol. 22(5): 1555-1566,2002.

13. Ascano M.Jr., Robbins D.J. An intramolecular association between two domains of the protein kinase Fused is necessary for Hedgehog signaling. Mol Cell Biol. 24(23): 1039710405,2004.

14. Ashburner M. (ed.) Drosophila: A Laboratory Handbook. Cold Spring Harbor Laboratory, New York:Cold Spring Harbor, 1989,1331 p.

15. Ashe H.L., Mannervik M., Levine M. Dpp signaling thresholds in the dorsal ectoderm of the Drosophila embryo. Development. 127(15):3305-3312,2000.

16. Averof M. Arthropod Hox genes: insights on the evolutionary forces that shape gene functions. Curr Opin Genet Dev. 12(4):386-392,2002.

17. Aza-Blanc P., Lin H.Y., Ruiz i Altaba A., Kornberg T.B. Expression of the vertebrate Gli proteins in Drosophila reveals a distribution of activator and repressor activities. Development. 127(19):4293-4301,2000.

18. Aza-Blanc P., Ramirez-Weber F.A., Laget M.P., Schwartz C., Kornberg T.B. Proteolysis that is inhibited by hedgehog targets Cubitus interruptus protein to the nucleus and converts it to a repressor. Cell. 89(7): 1043-1053,1997.

19. Bachmann A., Knust E. Positive and negative control of Serrate expression during early development of the Drosophila wing. Mech Dev. 76(l-2):67-78, 1998.

20. Badenhorst P., Voas M., Rebay I., Wu C. Biological functions of the ISWI chromatin remodeling complex NURF. Genes Dev. 16(24):3186-3198,2002.

21. Bailey A.M., Posakony J.W. Suppressor of hairless directly activates transcription of22