Математическое моделирование индуцированного мутационного процесса в клетках Escherichia coli при действии ультрафиолетового излучения

Белов, Олег Валерьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Математическое моделирование индуцированного мутационного процесса в клетках Escherichia coli при действии ультрафиолетового излучения
ВАК РФ 03.01.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование индуцированного мутационного процесса в клетках Escherichia coli при действии ультрафиолетового излучения"

OG34945G5

На правах рукописи

БЕЛОВ Олег Валерьевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНДУЦИРОВАННОГО МУТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА В КЛЕТКАХ ESCHERICHIA COLI ПРИ ДЕЙСТВИИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

03.01.01 —радиобиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Г м НО TllfJ

Москва-2010

003494565

Работа выполнена в Лаборатории радиационной биологии Объединённого института ядерных исследований.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Красавин Евгений Александрович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Рубанович Александр Владимирович

доктор биологических наук, профессор Петин Владислав Георгиевич

Ведущая организация: ГНЦ РФ Институт медико-

биологических проблем РАН

Защита состоится « 08 » апреля 2010 года в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 501.001.65 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, МГУ, Биологический факультет, кафедра биофизики, новая ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Отзывы просим присылать по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, Веселовой Т.В. Факс (495) 939-11-15.

Автореферат разослан

2010 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Т.В. Веселова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Фундаментальными свойствами живых систем являются факторы наследственности и изменчивости. Мутационный процесс (скачкообразное изменение наследуемых свойств живых систем) является важнейшим механизмом реализации изменчивости живых организмов. Изучение мутагенеза, индуцированного излучениями с разными физическими характеристиками в клетках различных организмов, является одной из актуальных задач современной радиобиологии.

Среди традиционных биологических объектов, с использованием которых изучаются фундаментальные механизмы индуцированного мутагенеза, важное место занимают бактерии Escherichia coli - клетки кишечной палочки. На этом объекте детально изучена структурно-функциональная организация генетического аппарата, биохимические механизмы, контролирующие мутационный процесс. В последние годы выяснен ключевой механизм формирования мутаций из первичных повреждений ДНК, который получил название translesion-синтеза (TLS). Показано, что этот механизм реализуется не только у прокариот, но и в клетках млекопитающих и человека.

Известно, что воздействие разных агентов, задерживающих репликацию ДНК, вызывает в клетке сложную цепь реакций, проявляющихся в виде повышения частоты мутирования, задержке клеточного деления, синтезе различных ферментов, в том числе синтезе RecA-белка, UmuDC-белков, изменения W-реактивации и W-мутагенеза, индукции лямбдоидных профа-гов. В настоящее время все эти реакции клеток рассматриваются как неспецифический ответ на повреждение ДНК, ингибирующий её репликацию. Ответ клетки на эти воздействия получил название SOS-ответа, а соответствующая система регуляции получила название SOS-системы. Аналоги SOS-системы клеток Е. coli найдены у многих штаммов прокариот.

в бактериальных клетках позволяет выявить взаимодействия различных звеньев генетического контроля индуцированного мутационного процесса и биохимических механизмов, реализующих этот процесс.

Попытки математического моделирования различных этапов репарационного процесса, приводящего к закреплению премутационного повреждения в мутацию, предпринимались в ряде работ [Lindahl, Wood, 1999; C.B. Аксёнов, 1999; Gardner, 2003; Krishna, Maslov, Sneppen, 2007]. Однако известные к настоящему времени модельные представления не достаточно полно описывают основные реакции клетки на повреждающее воздействие, а также не детализируют связь момента возникновения первичного повреждения в молекуле ДНК, которым является изменение химического состава или физического состояния ДНК, с проявлением конечной реакции (генной или точковой мутации).

Целью работы является разработка модели индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках Е. coli, основанной на математическом описании белковых взаимодействий, реализуемых после воздействия ультрафиолетового излучения (УФ-излучения), результатом которых является возникновение генной мутации в цепи ДНК. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. Построение модели, описывающей динамику взаимодействий белков SOS-системы, являющихся основными регуляторами мутагенной ветви репарации в бактериальных клетках Е. coli.

2. Определение характера зависимости концентрации димеризованных продуктов гена umuD от времени и флюенса энергии УФ-излучения.

3. Количественная оценка динамики концентрации основных регуля-торных комплексов SOS-системы.

4. Построение модели translesion-синтеза. Оценка влияния уровня концентрации ДНК-полимеразы V на выход ошибок при реализации translesion-синтеза.

5. Выявление связи между эффективностью реализации translesion-синтеза и выходом генных мутаций. Количественная оценка формирования генных мутаций при УФ-облучении.

Научная новизна. В работе предложен новый подход к математическому описанию мутационного процесса, индуцированного ультрафиолетовым излучением в бактериальных клетках Е. coli. Впервые построена модель, описывающая индуцированный мутационный процесс посредством детального математического описания ключевых белковых взаимодействий в ходе SOS-ответа бактерий Е. coli. Впервые в рамках одного модельного подхода прослежен весь путь от возникновения первичного повреждения структуры ДНК до закрепления его в мутацию. Разработанные модельные представления позволили впервые предсказать динамику концентраций димеризованных продуктов гена umuD, а также двух регуляторных комплексов SOS-системы: UmuD2C и UmuDD'C. Предложенный в диссертационной работе подход позволил впервые детально смоделировать процесс translesion-синтеза во времени и в зависимости от флюенса энергии УФ-излучения.

Научная и практическая значимость работы. Решение многих научно-практических задач современной радиобиологии требует подробного изучения и количественной оценки процесса translesion-синтеза у прокариот. В частности, выяснение механизмов индуцированного мутагенеза в клетках сложных организмов и человека затруднительно без детального анализа мутационного процесса в бактериальных клетках. Математическое моделирование генетической сети SOS-репарации клеток является важным шагом на пути описания накопленных экспериментальных и теоретических знаний, касающихся мутационного процесса.

Положения и результаты, выносимые на защиту.

• Разработана математическая модель индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках Е. coli при ультрафиолетовом облучении.

бактериальной системы SOS-ответа, а также воспроизводит наблюдаемые в экспериментах закономерности формирования генных мутаций (на примере lacl гена).

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования были представлены и обсуждены на Ш-м Международном симпозиуме под эгидой ЮНЕСКО, посвященном 100-летию со дня рождения академика Н.М. Сисакяна, Москва-Дубна, 2006 год; Научно-техническом семинаре «Развитие международного научно-технического сотрудничества в сфере современных технологий: проблемы и перспективы», Москва-Дубна, 2007 год; VII-й и VIII-й Конференциях молодых ученых, специалистов и студентов, посвященных дню космонавтики, Москва, 2008, 2009 годы; Вторых чтениях, посвященных В.И. Корогодину и В.А. Шевченко, Дубна-Москва, 2009 год; XIII-й научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2009 год; 13-й, 14-й, 15-й и 16-й Научных конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов Международного университета «Дубна», Дубна, 2006, 2007, 2008 и 2009 годы; на семинарах Лаборатории радиационной биологии Объединённого института ядерных исследований, Дубна; на Программно-консультативном комитете по физике конденсированных сред Объединённого института ядерных исследований, Дубна, 2009 год.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 работ. Из них 4 - в рецензируемых научных журналах, 4 - в периодических изданиях, 7 - в сборниках материалов конференций.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 146 наименований. Общий объём диссертации - 134 страницы. Диссертация содержит 19 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, основные задачи и аргументирована научная новиз-

на исследования, показана практическая значимость полученных результатов, дано краткое содержание разделов диссертационной работы.

Первая глава содержит подробный анализ механизма SOS-ответа, основанный на современных экспериментальных данных. Изложены основные этапы развития представлений о системе SOS-регуляции. Описано современное состояние проблемы и приведены основные факторы, стимулирующие исследование вопросов SOS-мутагенеза. Приведена схема основных путей генетической регуляции SOS-ответа, реализуемого в бактериальных клетках Е. coli. Объяснена ключевая роль генов lex А, recA, umuD и итиС в регуляции SOS-системы. Подробно рассмотрен процесс активации белкового продукта гена umuD. В рамках современных представлений описан процесс деградации мутагенной активности белковых комплексов SOS-системы.

Во второй главе рассмотрены основные модельные подходы, используемы для описания процессов генетической регуляции. Изложены основные методы и допущения, используемые в данной модели генетической регуляции:

1. акцент на регуляцию транскрипции;

2. пренебрежение механизмами посттранскрипционной регуляции;

3. описание синтеза белка как непрерывного процесса, модулируемого уровнем репрессии или активации операторных последовательностей соответствующего оперона.

Основная модель включает пять подмоделей, соответствующих различным этапам работы системы. Так, выделена модель динамики концентрации индуцирующего сигнала, модель динамики /ехЛ-геЫ-снстсмы, модель динамики концентраций продуктов umuD- и итиС-генов, модель динамики концентраций димеризованных продуктов гена umuD, модель динамики концентраций регуляторных комплексов SOS-системы.

В разделе 2.1 приведены уравнения математической модели индуцирующего сигнала и динамики 1ехА-гесА-систшы. Функция Xt](t,Ч;), характеризующая динамику концентрации индуцирующего сигнала, которым яв-

ляется наличие в клетке однонитевой ДНК, задается отдельно следующим образом [С.В. Аксёнов, 1999]:

50/,Т ^ V е">(сУ;

дляГ</2 ^оС^^) ~ТГ^~е » 0)

н-е11

ад

Т 2о

50/,4> /г

для />г2 ЗДУ) = -^ге-* » • (2)

■ + еи

•"/('о о-Ь + ^ч«

'о

Здесь / - время, - флюенс энергии УФ-излучения, нормированный на 1 Дж/м2 и равный численному значению задаваемого флюенса энергии, /, - средняя длина образовавшегося пробела, определяемая количеством нуклеотидов, Г0 - длительность репликации в нормальных условиях роста, и, - скорость удаления димеров эксцизионной репарацией, о2 - скорость репарации пробелов, ЫА - число Авогадро, - время задержки реп-ликационного комплекса на димере, ¿2 - время окончания репликации, £ -переменная интегрирования. Для /2 имеет место следующее выражение:

/2 = — 1п

25? ¥

Тп

25/,У Тя

(3)

V V 'о J J

К моменту создания математической модели было известно, что контроль генетической активности компонентов ЗОБ-системы осуществляется на уровне транскрипции. Этот важный элемент регуляции 1ехА-гесА-сисгемы описывается слагаемым в функции У1+, отвечающим за синтез белка вида /, которое прямо пропорционально уровню репрессии или активации (модулирования) активности промотора соответствующего гена вида / транскрипторным фактором. В рамках модели предполагается, что транс-крипторный фактор находится в динамическом равновесии с операторной ДНК регулируемого гена, так как характерные времена реакций связывания регуляторных белков с ДНК много меньше остальных реакций в системе. Основные уравнения модели регуляции 1ехА-гесА-системы имеют вид:

аХ„

с!Х{ Л

1 +

г ^ Г,

1 +

( у

Ух

аХ,у

с1Х Ж

2 _

1 +

( у

г2

- + 8ЪХЪ-р2Х2Х0-аХ2,

(4)

^- = р2х2х,-зъху

Начальные условия для системы уравнений (4) следующие:

Ххф) = Хм,

Х2(0) = Х02, (5)

Х3(0) = 0.

В уравнениях (4)-(5) X,, Х2, Х} - функции внутриклеточной концентрации белков ЬехА, ЯесА и КссА* соответственно, Х01, Х02 - конститутивные концентрации продуктов генов 1ехЛ и гесА соответственно, а, Д, Р2, 8Ъ - константы скорости химических реакций. и у2- равновесные константы диссоциации мономера продукта гена 1ехА при связывании с операторными областями генов 1ехА и гесА соответственно, /г,, /г2 - коэффициенты Хилла, характеризующие кооперативность связывания продукта гена 1ехА с операторными областями генов 1ехА и гесА соответственно.

В разделе 2.2 математически описаны процессы, влияющие на скорость прироста и убыли концентрации белков итиО, итиС и ШиЮ'. Приведены уравнения, характеризующие динамику концентраций продуктов итийС- генов:

Хы{еХ0А + дА)

1 +

^01 . /4

1 +

'Vй4

КУа.

- + + 0-2^7 + ЗА -

-ръХ4Хъ-еХ]-(рХъХ4-цХьХ4-Ъ2Х^Х4-84Х4,

а'X, Ж

5 _

1 +

Г у

Уз

1 +

У!

- - ахХ1Хь — а2ХъХ5 - аъХчХ} - 85Х5

(6)

1= + <рХгХ4 + Ъ2Хх ,Х4 - г,Х\ - МХ6Х, - ст,ВД0 -

¿X,

<и

-а2ХьХп-д6Хь.

Начальные условия для уравнений (6):

Х4(0) = Хм,

Х5(0) = Х05, (7)

Х6(0) = 0.

В уравнениях (6)-(7) Х4, Х5, Х6, Х7, Хн, Хд, Хю и Хи есть внутриклеточные концентрации белков игтЮ, итиС, игтЮ', ити02, итиО'2, итиОЭ', ити02С и итиО'2С соответственно. Х04, Х05 и Хт обозначают начальные концентрации белков ишиО, ишиС и ити02 соответственно. к4, к5 ~ коэффициенты Хилла, характеризующие кооператив-ность связывания продукта гена 1ехА с операторными областями генов ипиЮ и итиС. у4 и у5 - равновесные константы диссоциации мономера продукта гена 1ехА при связывании с операторными областями генов итиО и итиС соответственно, е, сг,, сг2, /?3, <р, ц, Ъ2, 84, 35, 36, а,, а2, а3, ц -параметры модели, характеризующие скорости химических реакций.

В разделе 2.3 изложена модель динамики концентраций димеризо-ванных продуктов гена итиВ. Основные уравнения модели записываются следующим образом:

~ = sX] - a{XsX1 -o1Xf X1 - S7X7, dt

^ = т1Х1-(рХ%Х,-агХъХ1-8ъХъ, (8)

—= цХьХ, + (pX%X, + а2X6X1 - a3X5X9 - S9X9. dt

Здесь S7, и S9 - параметры модели. Для системы уравнение (8) справедливы следующие начальные условия:

X7(0) = Xw,

*,(0) = 0, (9)

ДГ9(0) = 0.

Таким образом, в начальный момент времени концентрация гомоди-мера UmuD2 есть величина, не равная нулю, поскольку в клетке всегда существует отличный от нуля конститутивный уровень неактивной формы продукта гена umuD. Начальная концентрация димеров UmuD'2 и UmuDD' принята раной нулю, так как в момент времени / = 0 равна нулю концентрация активной формы продукта гена гесА, при участии которой происходит образование UmuD' -субъединицы, необходимой для формирования го-модимера UmuD'2 и гетеродимера UmuDD'.

В разделе 2.4 изложена модель, описывающая динамику концентраций белковых комплексов системы SOS-ответа клеток Е. coli, отвечающих за реализацию мутационного процесса и обеспечивающих клетке условия для осуществления длительной пострепликативной PolV-зависимой репарации. Уравнения, полученные для белковых комплексов UmuD2C, UmuD'2C и UmuDD'C имеют вид:

= atX7X5 - a,X6Xw - SloXto, ^ = a2X,X5-b2XuXA-SuXu, (10)

—= а}ХчХ5 + ЬгХпХ^ + (У^ХьХю-5пХп,

где <510, <5П и дп - параметры модели. Начальные условия для уравнений (10) записываются в виде:

*,о(0) = ^ою'

*„(0) = 0, (И)

*12(0) = 0.

Начальные концентрации белков UmuD', UmuDD', UmuD'2, UmuD'2C и UmuDD'C приняты равными нулю по причине отсутствия в клетке UmuD'-субъединицы в неиндуцированной SOS-системе.

В разделе 2.5 определены параметры математической модели.

В разделе 2.6 введены безразмерные переменные и параметры модели. Представлены нормированные уравнения модели.

В третьей главе представлены результаты численного исследования уравнений модели. Получены зависимости концентраций белков LexA, RecA, RecA*, UmuD, UmuC, UmuD' от времени и флюенса энергии УФ-излучения (см. рис. 1,2,3). Впервые предсказана динамика концентраций двух регуляторных комплексов SOS-системы: UmuD2C и UmuDD'C (см. рис. Зг, Зд) и димеризованных продуктов гена umuD и (см. рис. 4). Рассчитана динамика концентрации комплекса UmuD'2C (ДНК-полимеразы V), играющего основную роль в реализации индуцированного мутационного процесса клеток Е. coli (см. рис. Зе). Проведено исследование полученных решений. Определены положения максимумов и минимумов концентрации, а также времена, на которых они наблюдаются. Проанализировано смещение положения максимумов и минимумов во времени в зависимости от флюенса энергии УФ-излучения. Указаны возможные механизмы, определяющие характер полученных кривых и трёхмерных графиков. Выявлено совпадение теоретических результатов с экспериментальными данными.

В четвертой главе проведен анализ индукции генных мутаций в клетках Е. coli при реализации translesion-синтеза. На основе экспериментальных данных проанализирована роль ДНК-полимеразы V в процессе translesion-синтеза. Описана математическая модель translesion-синтеза.

Выполнена количественная оценка частоты мутирования в lacl-локусе бактериальных клеток Е. coli.

Рис. 1. Динамика концентрации белка LexA. а) Поверхность, характеризующая изменение концентрации белка LexA во времени и в зависимости от флюенса энергии УФ-излучения. б) Набор кривых, характеризующих динамику концентрации белка LexA при различных значениях флюенса энергии УФ-излучения. «-экспериментальные данные для 5Дж/м2, экспериментальные данные для 20 Дж/м2 [Sassanfar, Roberts, 1990]. N -внутриклеточная концентрация белка, выраженная в количестве молекул на клетку.

RecA

RecA*

300 200 # 100 Л

Рис. 2. Динамика концентрации белков ЯесА и ЯесА* в зависимости от времени и флюенса энергии У УФ-излучения. N - внутриклеточная концентрация белка, выраженная в количестве молекул на клетку.

а)

400 ^ 200

ИшиБ

в)

ишиБ'

г)

ишиБ2С

400, ^ 200

2 (Г ^ ^ 0,5 0

60 ^ 40 #

^ 0,50

Д)

ишиБО'С

е)

ишиБ'2С

1200

^ 6001

300

200 ^

0,5 0

200 160

120

Рис. 3. Динамика концентрации белков игаиО, ишиС, ШнЮ', итиБ2С, итиОЭ'С и итиВ'2С (ДНК-полимеразы V) в зависимости от времени и флюенса энергии 1И УФ-излучения. N - внутриклеточная концентрация белка, выраженная в количестве молекул на клетку.

а)

UmuD-

б)

1 Дж/м2 25

5 Дж/м2 20

20 Дж/м2

100 Дж/м2

UmuD;

-----1 Дж/м2

- - 5 Дж/м2

-20 Дж/м2

100 Дж/м2

50 100 150 200 250 300 350 Время, мин

0 20 40 60 80 100 120 Время, мин

В)

UmuDD'

-------1 Дж/м2

---5 Дж/м2

-20 Дж/м2

100 Дж/м2

50 100 150 200 250 300 Время, мин

Рис. 4. Динамика концентрации димеризованных белковых продуктов гена umuD: UmuD2, UmuD'2, UmuDD'. N - внутриклеточная концентрация белка, выраженная в количестве молекул на клетку.

В разделе 4.1 показано, что ключевую роль в реализации процесса TLS играет ДНК-полимераза V, входящая в состав модифицированного ре-пликационного комплекса PolV Mut. Индукция ДНК-полимеразы V в клетках Е. coli сопровождается существенным увеличением числа мутаций, вызванных ошибками при прохождении модифицированного репликационно-го комплекса (мутасомы PolV Mut) через однонитевые участки цепи ДНК. Три другие ДНК-полимеразы (РоШ, РоШ и PolIV) не оказывают существенного влияния на уровень генных мутаций при репликации ДНК.

В разделе 4.2 формализован динамический процесс возникновения ошибок при репликации ДНК с участием специфического репликационного

комплекса, образующегося в ходе SOS-ответа клеток Е. coli. При анализе описанного механизма мутагенеза возникает необходимость моделирования случайной величины, представляющей собой число ошибок в цепи ДНК, возникающих в течение некоторого времени. При этом полагается, что данные события происходят с некоторой фиксированной средней интенсивностью и независимо друг от друга. Для оценки вероятности возникновения определённого количества ошибок в цепи ДНК было использовано распределение Пуассона.

В параграфе 4.2.1 описан алгоритм программы, определяющей параметр распределения Пуассона на основе рассчитанной ранее зависимости числа молекул ДНК-полимеразы V от времени и флюенса энергии УФ-излучения. Известно, что процесс translesion-синтеза обладает различными характеристиками в зависимости от времени и последовательности ДНК, на которой он происходит. В работе отдельно проанализированы процессы, реализуемые на тиминовых димерах, на однонитевых пробелах ДНК, исключая тиминовые димеры, и при синтезе на неповрежденной ДНК. Разработанная программа моделирует возникновение ошибок при движении модифицированного репликационного комплекса с учетом особенностей и характеристик всех трех процессов. Конечная формула для расчёта параметра распределения Пуассона а в зависимости от времени и флюенса энергии УФ-излучения имеет следующий вид:

a(t, lF) = P(X)(Ltmd + Lss (t, VF)) + P(Y)L,d (12)

где P(X) - вероятность подстановки комплексом PolV Mut некомплементарного нуклеотида на однонитевых участках цепи ДНК, не содержащих тиминовых димеров, P(Y) - вероятность подстановки некомплементарного нуклеотида при прохождении тиминовых димеров, Lld(t,У) - количество нуклеотидов, пройденных на данный момент времени комплексом PolV Mut на тиминовых димерах, L„(/,VF) - число нуклеотидов, пройденных в пределах однонитевых пробелов, исключая тиминовые димеры, Lmd (t, VF) -количество нуклеотидов, пройденных на неповрежденной ДНК. Величины Lld{t,"V), Lss{t,¥), Lml(t,yV) рассчитываются в алгоритме программы с по-

мощью цикла пошагового вычисления количества пройденных нуклеотидов на соответствующих последовательностях ДНК.

В параграфе 4.2.2 приведены численные значения основных параметров математической модели ^апэкзюп-синтеза.

В параграфе 4.2.3 представлены решения математической модели, которые представляют собой распределения вероятностей, характеризующие процесс возникновения ошибок в цепи ДНК при реализации ТЬБ. Порученные функции исследованы во времени и в зависимости от флюенса (Энергии УФ-излучения. Найдены максимумы и минимумы функций, определено их временное положение при различных значениях флюенса энергии. Получены зависимости среднего числа ошибок от времени и флюенса энергии УФ-излучения (см. рис. 5). Решения модели 1гап81еяюп-сиптеза 'проанализированы при двух граничных значениях параметра Р(Х), харак-

теризующего процесс синтеза ДНК на неповрежденной матрице с участием

рис. 5. Среднее число возникающих ошибок а в зависимости от времени и флюенса энергии УФ-излучения а) при Р(Х) = 1,3x10", б) при Р(Х) = 3,0х 103.

Полученные результаты свидетельствуют о сложной и неоднозначной зависимости выхода ошибок при реализации й-апв^юп-синтеза от численного значения параметра Р(Х). В настоящее время не существует экс-

¡мутагенного репликационного комплекса.

периментально подтверждённых гипотез, способных объяснить причину изменения этой величины в столь широком диапазоне. Учитывая большое влияние этого параметра на решения математической модели, предполагается наличие специфического механизма, определяющего эффективность синтеза ДНК посредством комплекса PolV Mut на матрице, не содержащей тиминовых димеров. Выявление такого механизма является важной задачей дальнейших экспериментальных исследований SOS-ответа. Успешное решение этой задачи позволит усовершенствовать предложенную математическую модель и подойти к более точной количественной оценке индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках.

В разделе 4.3 показана возможность применения изложенных расчетов для описания частоты мутирования в любом интересующем гене. На примере регуляторного lacl-локуса лактозного оперона клеток Е. coli продемонстрирован метод нахождения кривых УФ-мутагенеза с помощью построенной модели.

В параграфе 4.3.1 изложены ключевые представления о гене lacl, основанные на современных экспериментальных данных.

В параграфе 4.3.2 проанализированы типы зависимости частоты мутирования от флюенса энергии УФ-излучения. Рассмотрены основные гипотезы, объясняющие характер зависимостей.

В параграфе 4.3.3 выполнен расчёт зависимости частоты мутирования от флюенса энергии УФ-излучения. Расчёт проведен на основании следующего выражения: [Е.А. Красавин, С. Козубек, 1991]

Nm/ N{yV) = e^ + 924>{\-e-°^), (13)

где Nm - количество мутантов, N - количество выживающих клеток, O^V - линейный компонент зависимости. Величина пропорциональна выходу премутационных повреждений в гене lacl, 1 - е"1'1' - доля клеток, в которых индуцировалась мутагенная репарация. Коэффициенты , в2, Ö, определены с использованием разработанной модели регуляции SOS-ответа, а также на основе экспериментальных данных.

В ходе исследования установлено, что коэффициент 0Ъ в значительной степени зависит от численного значения параметра Р{Х), характеризующего вероятность подстановки модифицированным репликационным комплексом некомплементарного нуклеотида на участках ДНК, не содержащих тиминовых димеров. Сравнение зависимостей Nm / Nf^V), полученных при различных значениях Р(Х), позволило выявить сходство рассчитанных результатов с экспериментальными данными [Oller, et al., 1992] при значениях параметра Р{Х), близких к 2,1 х Ю-4 (см. рис. 6).

Дж/м2

Рис. 6. Зависимость частоты мутаций в гене lacl Е. coli от флюенса энергии УФ-излучения. Сплошная линия - результаты расчетов, точки - экспериментальны данные [Oller, et al., 1992].

В параграфе 4.3.4 получены решения модели при других значениях параметра Р(Х). Для серии численных экспериментов было выбрано пять различных значений из отрезка 1,3x10"4 < Р(Л') <3,0x10-3, включая граничные значения отрезка. Построены зависимости частоты мутаций от флюенса энергии УФ-излучения, соответствующие выбранным значениям Р{Х). Анализ проведенных численных экспериментов позволил определить характер изменения зависимости Nm / N(4J) для гена lacl вследствие

вариации параметра Р(Х). Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными позволяет заключить, что модель корректно воспроизводит основные закономерности возрастания уровня мутагенеза .с увеличением флюенса энергии УФ-излучения с точностью до эксперимента. При этом предполагается, что зависимости Nm / N(XY), полученные при

других значениях Р(Х) из отрезка 1,3 х 10~4 < Р(Х) < 3,0 х 10"3, также могут наблюдаться в экспериментах.

В заключении изложены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны новые модельные подходы, описывающие динамику взаимодействия основных белков SOS-системы, регулирующих мутагенную ветвь репарации в бактериальных клетках Е. coli. Показано, что величина и временное положение максимумов и минимумов концентрации белков зависят от флюенса энергии УФ-излучения.

2. Установлено, что динамика концентрации димеров UmuD2, UmuD'2 и UmuDD' описывается кривой с локальным максимумом, смещающимся в область более поздних времён при увеличении флюенса энергии УФ-излучения. Для димера характерно падение концентрации белка на начальных временах работы SOS-системы.

3. Установлено, что при величине флюенса энергии свыше ЗОДж/м2 для белка UmuD и свыше 49Дж/м2 для белка UmuD2C наблюдается два пика концентрации этих белков, временное положение которых зависит от значения флюенса энергии УФ-излучения.

4. На основании расчётов, выполненных для ключевых регуляторных белков SOS-системы, построена математическая модель translesion-синтеза. Показано, что возрастание концентрации ДНК полимеразы V ведёт к увеличению количества ошибок, возникающих в ходе реализации translesion-синтеза.

Установлена связь между эффективностью реализации translesion-сиитеза и выходом генных мутаций. На примере регуляторного lacl-гена Е. coli произведен расчёт зависимости частоты образования lacl~ мутаций в зависимости от флюенса энергии УФ-излучения. Показано совпадение результатов моделирования с экспериментальными данными при определённых значениях входных параметров.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Белов О.В.. Красавин Е.А., Пархоменко А.Ю. Математическая модель индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках Escherichia coli при ультрафиолетовом облучении//Радиационная биология. Радиоэкология. - 2009. Т. 49. № 5. - С. 617-628. Belov O.V., Krasavin Е.А., Parkhomenko A.Yu. Model of SOS-induced mutagenesis in bacteria Escherichia coli under ultraviolet irradiation // J. Theor. Biol. - 2009. - Vol. 261. - P. 388-395.

Белов O.B. Временная зависимость индуцирующего сигнала SOS-системы бактерии Е. coli при ультрафиолетовом облучении // Письма в журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра». - 2007. -Т. 4. №6(142).-С. 867-874.

Белов О.В.. Красавин Е.А., Пархоменко А.Ю. Динамика SOS-ответа в бактериальных клетках Escherichia coli при ультрафиолетовом облучении // Письма в журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра». - 2009. Т. 6. № 3(152). - С. 418-439.

Белов О.В.. Борейко А.В. Подходы к созданию математической модели индуцированного мутационного процесса у клеток Escherichia coli II Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна». - 2006. № 2(15). - С. 39-46.

Белов О.В. Подходы к математическому моделированию экспрессии recA-, umuD-генов бактерий Escherichia coli при УФ-облучении: Сообщения ОИЯИ, Р19-2006-127, 2006. - 6 с.

Белов О.В.. Шахматов B.C. Подходы к математическому моделированию индуцированного мутационного процесса у бактерий Escherichia

colt Тез. докл. Ill Межд. симп. под эгидой ЮНЕСКО. - Дубна: ОИЯИ, 2006.- 166 с.

[8] Белов О.В. Современные представления об организации SOS-системы в клетках Escherichia coir. Анн. докл. 13-я науч. конф. студ., аспир. и молодых специалистов. - Дубна: МУПОЧ «Дубна», 2007. 4.1. - 160 с.

[9] Белов О.В. Моделирование кинетики индуцибельных белковых комплексов SOS-системы бактерий Е. coli, осуществляющих процесс TLS: Сообщения ОИЯИ, Р19-2007-47, 2007. - 11 с.

[10] Белов О.В. Моделирование кинетики индуцибельных белковых комплексов SOS-системы бактерий Е. coli, осуществляющих процесс TLS: Анн. докл. 14-я науч. конф. студ., аспир. и молодых специалистов. -Дубна: МУПОЧ «Дубна», 2008. - 220 с.

[11] Белов О.В., Красавин Е.А., Пархоменко А.Ю. Математическая модель индуцированного мутационного процесса бактерии Escherichia coli при ультрафиолетовом облучении: Препринт - Р19-2008-105. Дубна: ОИЯИ, 2008. - 20 с.

[12] Белов О.В., Пархоменко А.Ю. Математическая модель индуцированного мутационного процесса у бактерий Escherichia coli при ультрафиолетовом облучении: Анн. докл. 15-я науч. конф. студ., аспир. и молодых специалистов. - Дубна: МУПОЧ «Дубна», 2008. 4.1. - 169 с.

[13] Белов О.В., Красавин Е.А., Пархоменко А.Ю. Model of SOS-induced mutagenesis in bacteria Escherichia coli under ultraviolet irradiation: Тез. докл. Вторые чтения, посвященные памяти В.И. Корогодина и В.А. Шевченко. - Дубна: ОИЯИ, 2009. - 107с.

[14] Белов О .В., Красавин Е.А., Пархоменко А.Ю. Моделирование индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках: Анн. докл. XIII науч. конф. мол. учёных и специалистов ОИЯИ. - Дубна: ОИЯИ, 2009. - 234 с.

[15] Белов О.В., Пархоменко А.Ю. Математическая модель индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках Escherichia coli при ультрафиолетовом облучении: Тез. докл. VIII Конф. мол. ученых, специалистов и студ. - М.: ГНЦ РФ-ИМБП РАН, 2009. - 66 с.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 26.02.2010. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,44. Уч.-изд. л. 1,27. Тираж 100 экз. Заказ № 56903.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Белов, Олег Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. МЕХАНИЗМ ЗОБ-ОТВЕТА.:.

1.1 Схема генетической регуляции ЗОЗ-ответа.

1.2 Центральная роль 1ехА-, гесА-, итиС-, итиО-генов в регуляции ЗОЗ-ответа Е. соИ.

1.3 Процесс активации продукта гена итиО.

1.4 Процесс деградации мутагенной активности белковых продуктов ЗОЗ-системы.

ГЛАВА II. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕГУЛЯЦИИ ЗОБ-ОТВЕТА.

2.1 Модель динамики 1ехА-гесА-системы.

2.2 Модель динамики концентраций продуктов итиИ- и итиС-генов.

2.3 Модель динамики концентрций димеризованных продуктов гена итиИ.

2.4 Модель динамики концентраций регуляторных белковых комплексов ЗОЗ-системы.

2.5 Параметры динамической модели регуляции ЗОЗ-ответа.

2.6 Нормированные уравнения модели регуляции ЗОЗ-ответа.

ГЛАВА III. РЕШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕГУЛЯЦИИ ЗОЗ-ОТВЕТА

3.1 Расчёт динамики концентраций регуляторных белков 1ехА-гесА-системы.

3.2 Расчёт динамики концентраций продуктов итиИ- и итиС-генов.

3.3 Расчёт динамики концентраций димеризованных продуктов гена итиО.

3.4 Расчёт динамики концентраций регуляторных комплексов

SOS-системы.

ГЛАВА IV. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ЧАСТОТЫ МУТИРОВАНИЯ В LA С/-ЛОКУ СЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ КЛЕТОК Е. COLI.

4.1 Роль ДНК-полимеразы V в процессе TLS.

4.2 Математическая модель translesion-синтеза.

4.2.1 Определение параметра распределения Пуассона.

4.2.2 Параметры математической модели translesion-синтеза.

4.2.3 Решения математической модели translesion-синтеза.

4.3 Исследование мутагенеза в регуляторном /яс/-локусе лактозного оперона Е. coli.

4.3.1 lacI-тенЕ. coli.

4.3.2 Типы дозовой зависимости частоты мутирования.

4.3.3 Расчёт зависимости NJNQV).

4.3.4 Исследование модели при различных значениях Р(Х)

Введение Диссертация по биологии, на тему "Математическое моделирование индуцированного мутационного процесса в клетках Escherichia coli при действии ультрафиолетового излучения"

Актуальность исследования

Фундаментальными свойствами живых систем являются факторы наследственности и изменчивости. Мутационный процесс (скачкообразное изменение наследуемых свойств живых систем) является важнейшим механизмом реализации изменчивости живых организмов. Изучение мутагенеза, индуцированного излучениями с разными физическими характеристиками в клетках различных организмов, является одной из актуальных задач современной радиобиологии.

Среди традиционных биологических объектов, с использованием которых изучаются фундаментальные механизмы индуцированного мутагенеза, важное место занимают бактерии Escherichia coli — клетки кишечной палочки. На этом объекте детально изучена структурно-функциональная организация генетического аппарата, биохимические механизмы, контролирующие мутационный процесс. В последние годы выяснен ключевой механизм формирования мутаций из первичных повреждений ДНК, который получил название translesion-синтеза (TLS) /Wang, 2001/. Показано, что этот механизм реализуется не только у прокариот, но и в клетках млекопитающих и человека /Yang et al., 2003; Chiapperino et al., 2005/.

Известно, что воздействие разных агентов, задерживающих репликацию ДНК, вызывает в клетке сложную цепь реакций, проявляющихся в виде повышения частоты мутирования, задержке клеточного деления, синтезе различных ферментов, в том числе синтезе RecA-белка, UmuDC-белков, изменения W-реактивации и W-мутагенеза, индукции лямбдоидных профагов. В настоящее время все эти реакции клеток рассматриваются как неспецифический ответ на повреждение ДНК, ингибирующий её репликацию. Ответ клетки на эти воздействия получил название SOS-ответа, а соответствующая система регуляции получила название SOS-системы /Radman, 1974; Witkin, 1976; Е.А. Красавин, С. Козубек, 1991/. Различные аспекты SOS-ответа клеток освещены во многих работах /Shinoura et al., 1983; В.Л. Калинин, 1986; В.Д. Жестяников, 1979/. Аналоги SOS-системы клеток Е. coli были найдены у многих штаммов прокариот.

Создание математических моделей, описывающих взаимодействие различных звеньев биохимической машинерии, контролирующих мутационный процесс, является важной задачей радиационной генетики. В этой связи создание моделей генетической регуляции репарационного процесса в бактериальных клетках позволяет выявить взаимодействия различных звеньев генетического контроля индуцированного мутационного процесса и биохимических механизмов, реализующих этот процесс.

Попытки математического моделирования различных этапов репарационного процесса в бактериальных клетках предпринимались в ряде работ /Lindahl, Wood, 1999; C.B. Аксёнов, 1999; Gardner, 2003; Krishna, Maslov, Sneppen, 2007/. Однако известные к настоящему времени модельные представления не достаточно полно описывают основные реакции клетки на повреждающее воздействие, а также не детализируют связь момента возникновения первичного повреждения в молекуле ДНК, которым является изменение химического состава или физического состояния ДНК, с проявлением конечной реакции (генной или точковой мутации).

Цель и основные задачи исследования

Целью настоящего исследования является разработка модели индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках Е. coli, основанной на математическом описании белковых взаимодействий, реализуемых после воздействия ультрафиолетового излучения (УФ-излучения), результатом которых является возникновение генной мутации в цепи ДНК. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

3. Количественная оценка динамики концентрации основных регуляторных комплексов SOS-системы.

Структура работы

Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Первая глава содержит подробный анализ механизма SOS-ответа, основанный на современных экспериментальных данных. Изложены основные этапы развития представлений о системе SOS-регуляции. Описано современное состояние проблемы и приведены основные факторы, стимулирующие исследование вопросов SOS-мутагенеза в терминах системной биологии. Приведена схема основных путей генетической регуляции SOS-ответа, реализуемого в бактериальных клетках Е. coli. Объяснена ключевая роль генов lexA, recA, umuD, итиС в регуляции SOS-системы. Подробно рассмотрен процесс активации белкового продукта гена umuD. В рамках современных представлений описан процесс деградации мутагенной активности белковых комплексов SOS-системы.

Во второй главе рассмотрены основные модельные подходы, используемы для описания процессов генетической регуляции. Приведены основные уравнения динамической модели SOS-ответа. Основная модель включает пять подмоделей, соответствующих различным этапам работы системы. Так, выделена модель динамики концентрации индуцирующего сигнала, модель динамики 1ехА-гесА-сш,темы, модель динамики концентраций продуктов umnD- и гшшС-генов, модель динамики концентраций димеризованных продуктов гена umuD, модель динамики концентраций регуляторных комплексов SOS-системы. Приведены нормированные уравнения модели, указаны начальные условия. Математически описаны скорости изменения концентраций белков и определены параметры полученных уравнений.

В третьей главе представлены результаты численного исследования уравнений модели. Получены зависимости концентрации ключевых белков системы от времени и флюенса энергии УФ-излучения. Проведено подробное исследование динамики концентраций белковых продуктов генетической сети. Найдены положения максимумов и минимумов концентрации, определены времена, на которых они наблюдаются. Исследовано изменение временного положения максимумов и минимумов в зависимости от флюенса энергии УФ-излучения. Проанализирован характер полученных зависимостей, указаны возможные механизмы, определяющие форму кривых и поверхностей. Выявлено совпадение полученных результатов с экспериментальными данными.

В четвёртой главе проведен анализ индукции генных мутаций в клетках Е. coli при реализации translesion-синтеза. Определена ключевая роль ДНК-полимеразы V в процессе TLS. Описана математическая модель translesion-синтеза. Формализован динамический процесс возникновения ошибок при репликации ДНК с участием специфического репликационного комплекса, образующегося в ходе SOS-ответа клеток Е. coli. Описан алгоритм разработанной программы, определяющей требуемые параметры модели translesion-синтеза на основе решений динамической модели регуляции SOS-ответа. Найдены решения математической модели, которые представляют собой распределения вероятностей, характеризующие процесс возникновения ошибок в цепи ДНК при реализации TLS. Полученные функции исследованы во времени и в зависимости от флюенса энергии УФ-излучения. Найдены максимумы и минимумы функций, определено их временное положение при различных значениях флюенса энергии. Получены зависимости среднего числа ошибок от времени и флюенса энергии УФ-излучения. Решения модели translesion-синтеза проанализированы при двух граничных значениях параметра, характеризующего процесс синтеза ДНК на неповрежденной матрице с участием мутагенного репликационного комплекса. Показана возможность применения изложенных расчетов для описания частоты мутирования в отдельном гене Е. coli. На примере регуляторного /яс/-локуса лактозного оперона клеток Е. coli продемонстрирован метод нахождения кривых УФ-мутагенеза с помощью построенной модели. Изложены ключевые представления о гене lacl, основанные на современных экспериментальных данных. Проанализированы типы зависимости частоты мутирования от флюенса энергии УФ-излучения. Рассмотрены основные гипотезы, объясняющие характер зависимостей. Представлены рассчитанные зависимости частоты мутирования. Проанализирован факт совпадения результатов моделирования с экспериментальными данными при определенных значениях входных параметров. Проведена серия численных экспериментов на ЭВМ с целью исследования чувствительности модели к вариации параметров. Представлены результаты расчётов.

В заключении изложены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Научная новизна

В работе предложен новый подход к математическому описанию мутационного процесса, индуцированного ультрафиолетовым излучением в бактериальных клетках Е. coli. Впервые построена модель, описывающая индуцированный мутационный процесс посредством детального математического описания ключевых белковых взаимодействий в ходе SOS-ответа бактерий Е. coli. Впервые в рамках одного модельного подхода прослежен весь путь от возникновения первичного повреждения структуры ДНК до закрепления его в мутацию. Разработанные модельные представления позволили впервые предсказать динамику концентраций димеризованных продуктов гена umuD, а также двух регуляторных комплексов SOS-системы: UmuD2C и UmuDD'C. Предложенный в диссертационной работе подход позволил впервые детально смоделировать процесс translesion-синтеза во времени и в зависимости от флюёнса энергии У Ф-из лучения.

Научная и практическая значимость работы

Решение многих научно-практических задач современной радиобиологии требует подробного изучения и количественной оценки процесса translesion-синтеза у прокариот. В частности, выяснение механизмов индуцированного мутагенеза в клетках сложных организмов и человека затруднительно без детального анализа мутационного процесса в бактериальных клетках. Математическое моделирование генетической сети

SOS-репарации клеток является важным шагом на пути описания накопленных экспериментальных и теоретических знаний, касающихся мутационного процесса.

Положения и результаты, выносгшые на защиту

• Детально описана кинетика генных продуктов, контролирующих ошибочную ветвь индуцибельной репарации от момента воздействия на клетку повреждающего фактора до возникновения мутации в цепи ДНК. Модель корректно описывает механизм работы бактериальной системы SOS-ответа, а также воспроизводит наблюдаемые в экспериментах закономерности формирования генных мутаций (на примере lacl гена).

Апробация работы

Основные положения диссертационного исследования отражены в научных публикациях /О.В. Белов, A.B. Борейко, 2006; О.В. Белов, 2006; 2007а; 2007b; О.В.Белов, Е.А.Красавин, А.Ю.Пархоменко, 2008; 2009а; 2009b; Belov O.V., Krasavin Е.А., Parkhomenko A.Yu., 2009/, и доложены на следующих конференциях и семинарах: Ш-м Международном симпозиуме под эгидой ЮНЕСКО, посвященном 100-летию со дня рождения академика Н.М. Сисакяна, Москва-Дубна, 2006 год; Научно-техническом семинаре «Развитие международного научно-технического сотрудничества в сфере современных технологий: проблемы и перспективы», Москва-Дубна, 2007 год; VII-й и VIII-й Конференциях молодых учёных, специалистов и студентов, посвященных дню космонавтики, Москва, 2008, 2009 годы; Вторых чтениях, посвящённых В.И. Корогодину и В.А. Шевченко, Дубнаи

Москва, 2009 год; ХШ-й научной конференции молодых учёных и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2009 год; 13-й, 14-й, 15-й и 16-й Научных конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов Международного университета природы, общества и человека «Дубна», Дубна, 2006, 2007, 2008 и 2009 годы; на семинарах Лаборатории радиационной биологии Объединённого института ядерных исследований, Дубна; на Программно-консультативном комитете по физике конденсированных сред Объединённого института ядерных исследований, Дубна, 2009 год.

Заключение Диссертация по теме "Радиобиология", Белов, Олег Валерьевич

ВЫВОДЫ

3. Установлено, что при величине флюенса энергии свыше ЗОДж/м2 для белка UrnuD и свыше 49Дж/м2 для белка UmuD2C наблюдается два пика концентрации этих белков, временное положение которых зависит от значения флюенса энергии УФ-излучения.

5. Установлена связь между эффективностью реализации translesion-синтеза и выходом генных мутаций. На примере регуляторного laclгена Е. coli произведен расчёт зависимости частоты образования lacl ~ мутаций в зависимости от флюенса энергии УФ-излучения. Показано совпадение результатов моделирования с экспериментальными данными при определённых значениях входных параметров.

ПРИЗНАТЕЛЬНОСТЬ

Выражаю глубокую признательность своему научному руководителю директору Лаборатории радиационной биологии Объединённого института ядерных исследований (г. Дубна) доктору биологических наук, профессору Евгению Александровичу Красавину за многочисленные консультации и постоянное внимание в ходе выполнения работы.

Выражаю искреннюю благодарность соавторам статей и коллегам, участвовавшим в обсуждении результатов исследования: доктору биологических наук A.B. Борейко, кандидату физико-математических наук А.Ю. Пархоменко, кандидату физико-математических наук B.C. Шахматову.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в рамках проведенного исследования построена математическая модель индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках Е. coli при УФ-облучении. Представленная математическая модель является развитием существующих представлений об организации системы SOS-ответа в бактериальных клетках. Впервые показана связь между процессами, происходящими во время работы SOS-системы, и эффективностью реализации процесса translesion-синтеза. С использованием математических подходов смоделирована вся цепь событий от момента воздействия повреждающего фактора на клетку до возникновения генной мутации в цепи ДНК. Модель описывает основные процессы SOS-ответа бактериальных клеток, в частности, динамику концентрации индуцирующего сигнала, синтез и взаимодействие продуктов генов lexA, recA, umuD, итиС, динамику концентраций димеризованных продуктов гена umuD и основных регуляторных комплексов SOS-системы, а также процесс translesion-синтеза. Моделирование ключевых этапов SOS-ответа проведено в соответствии с представлениями современной системной биологии и методами изучения сложных генетических сетей. В рамках предложенных в работе математических подходов показана возможность применения построенной модели для оценки мутагенного действия УФ-излучения. Учёт ключевых особенностей регуляции описанной генетической сети позволяет прогнозировать эффекты, вызываемые воздействием на клетку УФ-излучения с определенным значением флюенса энергии.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Белов, Олег Валерьевич, Дубна

1. Белов O.B., Борейко A.B. Подходы к созданию математической модели индуцированного мутационного процесса у клеток Escherichia coli II Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна». 2006. № 2(15). - С. 39-46.

2. Белов О.В. Подходы к математическому моделированию экспрессии гесА-, umuD-тшов бактерий Escherichia coli при УФ-облучении: Сообщения ОИЯИ, Р19-2006-127, 2006. 6 с.

3. Белов О.В. Моделирование кинетики индуцибельных белковых комплексов SOS-системы бактерий Е. coli, осуществляющих процесс TLS : Сообщения ОИЯИ, Р19-2007-47, 2007. 11 с.

4. Белое O.B., Красавин E.A., Пархоменко А.Ю. Математическая модель индуцированного мутационного процесса бактерии Escherichia coli при ультрафиолетовом облучении: Препринт Р19-2008-105. Дубна: ОИЯИ, 2008. - 20 с.

5. Белов О.В., Красавин Е.А., Пархоменко А.Ю. Математическая модель индуцированного мутационного процесса в бактериальных клетках Escherichia coli при ультрафиолетовом облучении // Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49. № 5. - С. 617-628.

6. Борейко А.В. Генетическое действие ускоренных тяжелых ионов: Дис. . д-ра биол. наук. Москва. 2005. 345 с.

7. Бреслер С.Е. Репарация, рекомбинация, репликация ДНК у бактерий // Успехи совр. биол. 1976. Т.82. № 2. - С.181-198.

8. Бреслер С.Е. Механизм и кинетика репарационного мутагенеза // Генетика. 1976. Т. 12. - С. 153-160.

9. Дьяконов В.П. Mathematica 5.1/5.2/6.0. Программирование и математические вычисления. М.: ДМК-Пресс, 2008. 576 с.

10. Жестяников В.Д. Репарация ДНК и ее биологическое значение. Л.: Наука, 1979.-285 с.

11. Калинин B.JI. Индуцибельные и конститутивные функции в мутагенезе и репарации у бактерий и фагов: Дис. . д-ра биол. наук. Гатчина. 1986.

12. Красавин Е.А., КозубекС. Мутагенное действие излучений с разной ЛПЭ. М.: Энергоатомиздат, 1991. 184 с.

13. Adams D.E., Tsaneva I.R., West S.C. Dissociation of RecA filaments from duplex DNA by the RuvA and RuvB DNA repair proteins // Proc. Nadl. Acad. Sci. 1994. Vol. 91. -P. 9901-9905.

14. Arthur H.M., Eastlake P.B. Transcriptional control of the uvrD gene of Escherichia coli // Gene. 1983. Vol. 25. - P. 309-316.

15. BaggA., Kenyon C.J., Walker G.C. Inducibility of a gene product required for UV and chemical mutagenesis in Escherichia coli II Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1981. Vol. 78. - P. 5749-5753.

16. Belov О. V., Krasavin E.A., Parkhomenko A. Yu. Model of SOS-induced mutagenesis in bacteria Escherichia coli under ultraviolet irradiation 11 J. Theor. Biol. 2009. - Vol. 261. - P. 388-395.

17. BeuningP.J., Simon S.M., ZemlaA., Barsky D., Walker G.C. A Non-cleavable UmuD Variant That Acts as a UmuD' Mimic // J. Biol. Chem. -2006. Vol. 281. P. 9633-9640.

18. Bianco P.R., Kowalczykowski S.C. RecA protein. In: Encyclopedia of Life Sciences, Nature Publishing Group. London, 1999.

19. Blanco M., Herrera G., Collado P., Rebollo J.E., Botella L.M. Influence of RecA protein on induced mutagenesis // Biochimie. 1982. Vol. 64. - P. 633636.

20. Boer J.G., Glickman B. W. The lacl gene as a target for mutation in transgenic rodents and Escherichia coli // Genetics. 1998. Vol. 148. - P. 1441-1451.

21. Bonner C.A., Hays S., McEntee K., Goodman M.F. DNA polymerase II is encoded by the DNA dama'ge-inducible dinA gene of Escherichia coli И Proc. Natl. Acad. Sci. 1990. Vol. 87. - P. 7663-7667.

22. Brent R. Regulation and autoregulation by LexA protein // Biochimie. 1982. — Vol. 64.-P. 565-569.

23. Brent R., Ptashne M. Mechanism of action of the lexA gene product // Proc. Natl. Acad. Sci. 1981. Vol. 78. -P. 4204-4208.

24. Bridges B. A., Woodgate R. Mutagenic repair in Escherichia coli: products of the recA gene and of the umuD and umuC genes act at different steps in UV-induced mutagenesis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985. Vol. 82. - P. 4193-4197.

25. Brotocorne-Lannoye A., Maenhaut-Michel G. Role of RecA protein in untargeted UV mutagenesis of bacteriophage X: Evidence for the requirement for the dinB gene // Proc. Natl. Acad. Sci. 1986. Vol. 83. - P. 3904-3908.

26. BruckL, Woodgate R., McEntee K., Goodman M.F. Purification of a Soluble UmuD'C Complex from Escherichia coli II J. Biol. Chem. 1996. Vol. 271. -P. 10767-10774.

27. Burckhardt S.E., Woodgate R., Scheuermann R.H., Echols H. UmuD mutagenesis protein of Escherichia coli: Overproduction, purification and cleavage by RecA//Proc. Natl. Acad. Sci. 1988.-Vol. 85.-P. 1811-1815.

28. Cadet J., Vigny P. The photochemistry of nucleic acids. In: Morrison H. (Ed.), Bioorganic Photochemistry. Wiley & Sons, New York, 1990. - P. 1272.

29. Calos. M.P., Miller J.H. Genetic and sequence analysis of frameshift mutations induced by ICR-191//J. Mol. Biol. 1981.-Vol. 153.-P. 39-66.

30. Casaregola S., D'Ari R., Huisman O. Quantitative evaluation of recA gene expression in Escherichia coli II Mol. Gen. Genet. 1982. Vol. 185. - P. 430439.

31. Defais M., Fauquet P., Radman M., Errera M. Ultraviolet reactivation and ultraviolet mutagenesis of X in different genetic systems // Virology. 1971. -Vol. 43.-P. 495-503.

32. Delmas S., Matic I. Interplay between replication and recombination in Escherichia coli: Impact of the alternative DNA polymerases // Proc. Natl. Acad. Sci. 2006. Vol. 103. - P. 4564-4569.

33. Donnelly C.E., Walker G.C. groE mutants of Escherichia coli are defective in umuDC-dependent UV mutagenesis // J. Bacterid. 1989. Vol. 171(11). - P. 6117-6125.

34. Farabaugh P. J., Schmeissner U., Hofer M., Miller J.H. Genetic studies of the lac repressor. VII. On the molecular nature of spontaneous hotspots in the lad gene of Escherichia coli II J. Mol. Biol. 1978. V. 126. P. 847-857.

35. Ferentz A.E., Opperman T., G.C. Walker, Wagner G. Dimerization of the UmuD' protein in solution and its implications for regulation of SOS mutagenesis. II Nat. Struct. Biol. 1997. V. 4. P. 979-983.

36. Fernandez de Henestrosa A.R., Ogi T., Aoyagi S., Chafin D., Hayes J.J., Ohmori H., Woodgate R. Identification of additional genes belonging to the LexA-regulon in Escherichia coli // Mol. Microbiol. 2000. Vol. 35. - P. 1560-1572.

37. Fogliano M., Schendel P.F. Evidence for the inducibility of the uvrB operon //Nature (London). 1981.-Vol. 289.-P. 196-198.

38. Frank E.G., Ennis D.G., Gonzalez M., Levine A.S., Woodgate R. Regulation of SOS mutagenesis by proteolysis // Proc. Natl. Acad. Sci. 1996. Vol. 93. -P.10291-10296.

39. Frank E.G., Gonzalez M., Ennis D.G., Levine A.S., Woodgate R. In Vivo Stability of the Umu Mutagenesis Proteins: a Major Role for RecA // J. Bacter. 1996.-Vol. 178.-P. 3550-3556.

40. Fujii S., Fuchs R.P. Defining the position of the switches between replicative and bypass DNA polymerases // The EMBO Journal. 2004. Vol. 23. - P. 4342-4352.

41. Gardner T.S., Bernardo D., Lorenz D., Collins J.J. Inferring genetic networks and identifying compound mode of action via expression profiling // Science. 2003.-Vol. 301.-P. 102-105.

42. Ghosh K., Pal A., Chattopadhyaya R. pH-dependent autocleavage of X repressor occurs in the operator-bound form: characterization of X repressor autocleavage // Biochem. J. 2004. Vol. 379. - P. 325-330.

43. Gilbert W., Midler-Hill B. The lactose repressor. In: Beckwith J.R., Zipser D. (Eds.), The Lactose Operon, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1970.

44. Godoy V.G., Jarosz D.F., Simon S.M., Abyzov A., Ilyin V., Walker G.C. UmuD and RecA directly modulate the mutagenic potential of the Y family DNA polymerase DinB // Mol. Cell 2007. Vol. 28. P. 1058-1070.

45. Gonzalez M., Woodgate R. The "tale" of UmuD and its role in SOS mutagenesis // BioEssays. 2002. Vol. 24. - P. 141-148.

46. Gonzalez M., Frank E.G., McDonald J.P., Levine A.S., Woodgate R. Structural insights into the regulation of SOS mutagenesis // Acta Biochim. Polon. 1998.-Vol. 45.-P. 163-172:

47. Hagensee M.E., Timme T.L., Bryan S.K., Moses R.E. DNA polymerase III of Escherichia coli is required for UV and ethyl methanesulfonate mutagenesis // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1987. Vol. 84. - P. 4195-4199.

48. Harm W., Stein W. Zur Dentung von Maxima und Sattigungs Effecten bei Dosis-Effect-Kurven fur Strahleninduzierte Mutation // Z. Naturforschung. 1956.-Bd. 115.-S. 85-105.

49. Hegde S., Sandler S.J., Clark A.J., Madiraju M. V. recO and recR mutations delay induction of the SOS response in Escherichia coli 11 Mol. Gen. Genet. 1995. Vol. 246. - P. 254-258.

50. Hill R.F., Nectmann E.R. Effect of the recBC gene in Escherichia coli on frequencies of ultraviolet induced mutants I I Mutat. Res. 1973. Vol. 17. - P. 27-36.

51. Horii T., Ogawa T., Nakatani T., Hase T., Matsubara H, Ogawa H. Regulation of SOS functions: purification of E. coli LexA protein and determination of its specific site cleaved by the RecA protein // Cell. 1981. -Vol. 27.-P.515-522.

52. Huisman O., D 'Ari R. An inducible DNA replication-cell division coupling mechanism in E. coli 11 Nature (London). 1981. Vol. 290. - P. 797-799.

53. Jonczyk P., Nowicka A. Specific in vivo protein-protein interactions between Escherichia coli SOS mutageneis proteins // J. Bacteriol. 1996. Vol. 178. — P. 2580-2585.

54. Kang S.H., Kim Y-J., Yeung E.S. Detection of single-molecule DNA. hybridization by using dual-color total internal reflection fluorescence microscopy // Anal. Bioanal. Chem. 2007. Vol. 387. - P. 2663-2671.

55. Kato T., Shinoura Y. Isolation and characterization of mutants of Escherichia coli deficient in induction of mutagenesis by ultraviolet light // Mol Gen. Genet. 1997. Vol. 156.-P. 121-131.

56. Kenyon C.J., Brent R., Ptashne M., Walker G.C. Regulation of damage-inducible genes in Escherichia coli// J. Mol. Biol. 1982. Vol. 160. - P. 445457.

57. Kenyon C.J., Walker G.C. DNA-damaging agents stimulate gene expression at specific loci in Escherichia coli // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1980. Vol. 77.-P. 2819-2823.

58. Kenyon C.J., Walker G.C. Expression of the E. coli nvrA gene is inducible // Nature (London). 1981. Vol. 289. - P. 808-810.

59. Kim B., Little J. W. Dimerization of a specific DNA-binding protein on the DNA. // Science. 1992. Vol. 255. - P. 203-206.

60. Kitagawa Y., Akaboshi E., Shinagawa H., Horii T., Ogawa H., Kato T. Structural analysis of the umu operon required for inducible mutagenesis in Escherichia coli H Proc. Natl. Acad. Sei. 1985. Vol. 82. - P. 4336-4340.

61. Krishna S., Maslov S., Sneppen K. UV-induced mutagenesis in Escherichia coli SOS response: a quantitative model // PLoS Computat. Biol. 2007. -Vol. 3.-P. 0451-0462.

62. Kozubek S., Krasavin E.A. Cell sensitivity to ionizing radiation and DNA repair processes. II. The cell sensitivity to ionizing radiation of different LET // Neoplasma. 1984. Vol. 31. - P. 685-695.

63. Kuzminov A. Recombinational Repair of DNA Damage in Escherichia coli and Bacteriophage A, // MMBR. 1999. Vol. 63. - P. 751-813.

64. Lambert LB. Chin T.A., Bryant D.W., Gordon J.E., Glickman B.W., McCalla D.R. The mutational specificity of 2-(2-furyl)-3-(5-nitro-2-furyl)-acrylamide

65. AF2) in the lacl gene of Escherichia coli I I Carcinogenesis. 1991. Vol. 12. -P. 29-34.

66. Lavery P.E., Kowalczykowski S.C. Biochemical basis of the constitutive repressor cleavage activity of RecA730 protein: A comparison to RecA441 and RecA803 proteins // J. Biol. Chem. 1992. Vol. 267. - P. 20648-20658.

67. Lewis M., Chang G., Horton N.C., Kercher M.A., Pace H.C., Schumacher M.A., Brennan R.G., Lu P. Crystal structure of the lactose operon repressor and its complexes with DNA and inducer // Science. 1996. Vol. 271. - P. 1247-1254.

68. Lindahl T., WoodR.D. Quality control by DNA repair // Science. 1999. Vol. 286.-P. 1897-1905.

69. Little J. W. Autodigestion of LexA and phage lambda repressor // Proc. Natl. Acad. Sci. 1984. — Vol. 81.-P. 1375-1379.

70. Little J.W., Edmiston S.H., Pacelli L.Z., Mount D.W. Cleavage of the Escherichia coli lexA protein by the recA protease // Proc. Nail. Acad. Sci. 1980. Vol. 77. - P. 3225-3229.

71. Little J.W., Mount D.W., Yanisch-Perron C.R. Purified LexA protein is a repressor of the recA and lexA genes // Proc. Natl. Acad. Sci. 1981. Vol. 78. -P. 4199-4203.

72. Livneh Z. DNA Damage Control by Novel DNA Polymerases: Translesion Replication and Mutagenesis // J. Biol. Chem. 2000. Vol. 276. - P. 2563925642.

73. LloydR.G., Picksley S.M., Prescott C. Inducible expression of a gene specific to the recF pathway for recombination in Escherichia coli K12 // Mol. Gen. Genet. 1983.-Vol. 190.-P. 162-167.

74. Lwoff A., Simonovitch L., Kjeldgaard N. Induction de la production de bacteriophages chez une bacterie lysogene // Ann. Inst. Pasteur Paris. 1950. -Vol. 79.-P. 815-859.

75. Maor-Shoshani A., Reuven N.B., Tomer G., Livneh Z. Highly mutagenic replication by DNA polymerase V (UmuC) provides a mechanistic basis for SOS untargeted mutagenesis // Proc. Natl. Acad. Sci. 2000. Vol. 97. - P. 565-570.

76. McDonald J.P., Peat T.S., Levine A.S., Woodgate R. Intermolecular cleavage by UmuD-like enzymes: identification of residues required for cleavage and substrate specificity II J. Mol. Biol. 1999. Vol. 285. - P. 2199-2209.

77. McDonald J.P., Frank E.G., Levine A.S., Woodgate R. Intermolecular cleavage of the UmuD-like mutagenesis proteins // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. Vol. 95. - P. 1478-1483.

78. McDonald J.P., Maury E.E., Levine A.S., Woodgate R. Regulation of UmuD cleavage: role of the amino-terminal tail // J. Mol. Biol. 1998. Vol. 282. - P. 721-730.

79. Melechen N.E., Skaar P.D. The provocation of an early step of induction by thymine deprivation // Virology. 1962. Vol. 16. - P. 21-29.

80. Miura A., Tomizawa J. Studies on radiation-sensitive mutants of E. coli. III. Participation of the Rec system in induction of mutation by ultraviolet irradiation // Mol. Gen. Genet. 1968. V. 103. - P. 1-10.

81. Miller J.H., Ganem D., Luand P., Schmitz A. Genetic studies of the lac repressor. I. Correlation of mutational sites with specific amino acid residues: construction of a colinear gene-protein map // J. Mol. Biol. 1977. Vol. 109(2).-P. 275-298.

82. Miller H.I., Kirk M., Echols H. SOS induction and autoregulation of the himA gene for site-specific recombination in E. coli II Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1981.-Vol. 78.-P. 6754.

83. Monk M., Gross J. Induction of prophage in a mutant of E. coli K12 defective in initiation of DNA replication at high temperatures II Mol. Gen. Genet. 1971.-Vol. 110.-P. 299-306.

84. Nakane J.J., Akeson M., Marziali A. Nanopore sensors for nucleic acid analysis // J. Phys.: Condens. Matter. 2003. Vol. 15. - P. R1365-R1393.

85. Oiler A.R., Fijalkowska I.J., Dunn R.L., Schaaper R.M. Transcription-repair coupling determines the strandedness of ultraviolet mutagenesis in Escherichia coli // Proc. Natl. Acad. Sci. 1992. Vol. 89. - P. 11036-11040.

86. Peat T.S., Frank E.G., Woodgate R. Hendrickson W.A. Production and crystallization of a selenomethionyl variant of UmuD', an Escherichia coli SOS response protein // Proteins. 1996. Vol. 25. - P. 506-509.

87. Peat T.S., Frank E.G., McDonald J.P., Levine A.S., Woodgate R., Hendrickson W.A. The UmuD' protein filament and its potential role in damage induced mutagenesis // Structure. 1996. Vol. 4. - P. 1411-1412.

88. Peat T.S., Frank E.G., McDonald J.P., Levine A.S., Woodgate R, Hendrickson W.A. Structure of the UmuD' protein and its regulation in response to DNA damage // Nature. 1996. Vol. 380. - P. 727-730.

89. Pham P., Rangarajan S., Woodgate R., Goodman M.F. Roles of DNA polymerases V and II in SOS-induced error-prone and error-free repair in Escherichia coli // Proc. Natl. Acad. Sci. 2001. Vol. 98. - P. 8350-8354.

90. Pollard E.C., Person S., Rader M. Relation of ultraviolet light mutagenesis to a radiation-damage inducible system in Escherichia coli // Radiat. Res. 1977. -Vol. 72.-P. 519-532.

91. Radman M. SOS repair hypothesis: phenomenology of an inducible DNA repair which is accompanied by mutagenesis. In: Hanawalt P., Setlow R.B. (Eds.), Molecular mechanisms for repair of DNA. Part A. Plenum Press. New York. 1975.-P. 355-367.

92. Rangarajan S., Woodgate R., Goodman M.F. A phenotype for enigmatic DNA polymerase II: a pivotal role for pol II in replication restart in UV-irradiated Escherichia coli II Proc. Natl Acad. Sci. 1999. Vol. 96. - P. 92249229.

93. Reuven N.B., Arad G., Maor-Shoshani A., Livneh Z. The mutagenesis protein UmuC is a DNA polymerase activated by UmuD', RecA, and SSB and is specialized for translesion replication // J. Biol. Chem. 1999. Vol. 274. - P. 31763-31766.

94. Reuven N.B., Tomer G., Livneh Z. The mutagenesis proteins UmuD' and UmuC prevent lethal frameshifts while increasing base substitution mutations // Mol. Cell. 1998.-Vol. 2.-P. 191-199.

95. Roberts J.W., Roberts C.W. Proteolytic cleavage of bacteriophage lambda repressor in induction I I Proc. Natl. Acad. Sci. 1975. Vol. 72. - P. 147-151.

96. Roberts J.W., Roberts C.W., Craig N.L. Escherichia coli recA gene product inactivates phage lambda repressor // Proc. Natl. Acad. Sci. 1978. Vol. 75. -P. 4714-4718.

97. Roberts J.W., Roberts C.W., Mount D.W. Inactivation and proteolytic cleavage of phage lambda repressor in vitro in an ATP-dependent reaction // Proc. Natl. Acad. Sei. 1977. Vol. 74. - P. 2283-2287.

98. Rosen R. Recent developments in the theory of control and regulation of cellular processes // International Reviewof Cytology. 1968. Vol. 23. — P. 25-88.

99. Rupert C.S. Enzymatic photoreactivation: overview. In: Hanawalt P., Setlow R. (Eds.), Molecular mechanisms for repair of DNA. Part A. Plenum Press, New York, 1975. - P. 73-87.

100. Rupp W.D., Howard-Flanders P. Discontinuities in the DNA synthesized in an excision-defective strain of Escherichia coli following ultraviolet irradiation // J. Mol. Biol. 1968. Vol. 31. - P. 291-304.

101. Sancar A., Sancar G.B. DNA repair enzymes // Annu. Rev. Biochem. 1988. -Vol. 57.-P. 29-67.

102. Sapor a O., Fielden E.M., Loverock P.S. The application of rapid lysis techniques in radiobiology. The time course of DNA fixed damage and single-strand breaks in Escherichia coli mutants // Mutat. Res. 1977. Vol. 72.-P. 308-316.

103. Sassanfar M., Roberts J. W. Nature of the SOS-inducing signal in E. coli. The involvement of DNA replication // J. Mol. Biol. 1990. Vol. 212. - P. 79-96.

104. Schaaper R.M., Danforth B.N., Glickman B.W. Rapid repeated cloning of mutant lac represser genes // Gene. 1985. Vol. 39. - P. 181-189.

105. Schnarr M., Oertel-Buchheit P., Kazmaier M., Granger-Schnarr M. DNA binding properties of the LexA repressor I I Biochimie. 1991. Vol. 73. - P. 423-431.

106. Schnarr M., Pouyet J., Granger-Schnarr M., Daune M. Large-scale purification, oligomerization equilibria, and specific interaction of the LexA repressor of Escherichia coli II Biochemistry. 1985. Vol. 24. - P. 28122818. ■

107. Sedgwick S.G. Misrepair of overlapping daughter strand gaps as a possible mechanism for induced mutagenesis: a general model for induced mutagenesis by misrepair (SOS repair) of closely spared DNA lesions // Mutat. Res. 1976. Vol. 41. - P. 185-200.

108. Shen X., Woodgate R., Goodman M.F. Escherichia coli DNA polymerase V subunit exchange: a post-SOS mechanism to curtail error-prone DNA synthesis // J. Biol. Chem. 2003. Vol. 278. - P. 52546-52550.

109. Shinagawa H., Iwasaki IL, Kato T., Nakata A. RecA protein-dependent cleavage of UmuD protein and SOS mutagenesis // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1988.-Vol. 85.-P. 1806-1810.

110. Shinoura Y., Ise T., Kato T., Glickman B.W. UmuC-mediated misrepair mutagenesis in Escherichia coli: extend and specificity of SOS mutagenesis // Mutat. Res. 1983.-Vol. 111.-P. 51-59.

111. Shurvinton C.E., Lloyd R.G. Damage to DNA induces expression of the ricv gene of Escherichia coli II Mol. Gen. Genet. 1982. Vol. 185. - P. 352-355.

112. Sicard N., Devoret R. Effects de la carence en thymine sur des souches d'Escherichia coli lysogenes K12 T- et colicinogene 15T- // Compt. Rend. 1962.-Vol. 255.-P. 1417-1419.

113. Smith B.T., Walker G.C. Mutagenesis and more: umuDC and the Escherichia coli SOS response // Genetics. 1998. Vol. 148. - P. 1599-1610.

114. Sommer S., Boudsocq F., Devoret R., Bailone A. Specific RecA amino acid changes affect RecA-UmuD'C interaction // Mol Microbiol. 1998. Vol. 28. -P. 281-291.

115. Stohl E.A., Brockman J.P., Burkle K.L., Morimatsu K., Kowalczykowski S.C., Seifert H. S. Escherichia coli RecX inhibits RecA recombinase and coprotease activities in vitro and in vivo I I J. Biol. Chem. 2003. Vol. 278. -P. 2278-2285.

116. Sweasy J.B., Within E.M., Sinha N., Roegner-Maniscalco V. RecA protein of Escherichia coli has a third essential role in SOS mutator activity // J. Bacteriol. 1990.-Vol. 172.-P. 3030-3036.

117. Takahashi M, Daune M., Schnarr M. Fluorescence study of the RecA-dependent proteolysis of LexA, the repressor of the SOS system in Escherichia coli // FEBS Lett. 1986. Vol. 196. - P. 215-218.

118. Tang M., Pham P., Shen X., Taylor J.S., O'Donnell M., Woodgate R., Goodman M.F. Roles of E. coli DNA polymerases IV and V in lesion-targeted and untargeted mutagenesis // Letters to Nature. 2000. — Vol. 404. -P. 1014-1018.

119. Tang M., Shen X., Frank E.G., O'Donnell M., Woodgate R., Goodman M.F. UmuD'2C is an error-prone DNA polymerase, Escherichia coli pol V // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 1999. Vol. 96. - P. 8919-8924.

120. Tomer G., Cohen-Fix O., O'Donnell M., Goodman M., Livneh Z. Reconstitution of repair-gap UV mutagenesis with purified proteins from Escherichia coli: A role for DNA polymerases III and II // Proc. Natl. Acad. Sei. 1996.-Vol. 93.-P. 1376-1380.

121. Voloshin O.N., Ramirez B.E., Bax A., Camerini-Otero R.D. A model for the abrogation of the SOS response by an SOS protein: a negatively charged helix in DinI mimics DNA in its interaction with RecA // Genes & Dev. 2001. -Vol. 15.-P. 415-427.

122. Wagner J., Gruz P., Kim S., Yamada M., Matsui K., Fuchs R., Nohmi T. The dinB gene encodes a novel E. coli DNA polymerase, DNA pol IV, involved in mutagenesis II Mol. Cell. 1999. Vol. 4(2). - P. 281-286.

123. Walker G.C. The SOS response of Escherichia coli. — In: Ingraham J. et al. (Eds.), Escherichia coli and Salmonella typhimurium. 1987. Vols. I and II. Chapter 89. American Society of Microbiology: Washington, DC.

124. Wang S.Y., Pyrimidine bimolecular photoproducts. In: Wang S.Y. (Ed.), Photochemistry and Photobiology of Nucleic Acids, Academic Press, New York, 1976.-P. 295-356.

125. Wang Z. Translesion synthesis by the UmuC family of DNA polymerase // Mutat. Res. 2001. Vol. 486. - P. 59-70.

126. Wang W.B., Tessman E.S., Tessman I. Activation of protease-constitutive RecA proteins of Escherichia coli by rRNA and tRNA // J. Bacteriol. 1988. -Vol. 170.-P. 4823-4827.

127. Weigle J.J. Induction of mutation in a bacterial virus // Proc. Natl. Acad. Sei. U.S.A. 1953.-Vol. 39.-P. 628-636.

128. Wilson D.H., Benight A.S. Kinetic analysis of the pre-equilibrium steps in the self-assembly of RecA protein from Escherichia coli II J. Biol. Chem. 1990. -Vol. 265.-P. 7351-7359.

129. Witkin E.M. Ultraviolet mutagenesis and inducible DNA repair in Escherichia coli 11 Bacteriol. Review. 1976. Vol. 40. - P. 869-907.

130. Woodgate R, Levine A.S., Koch W.H., Cebula T.A., Eisenstadt E. Induction and cleavage of Salmonella typhimurium UmuD protein // Mol. Gen. Genet. 1991.-Vol. 229.-P. 81-85.

131. Woodgate R., Rajagopalan M., Lu C., Echols H. UmuC mutagenesis protein of Escherichia coli: Purification and interaction with UmuD and UmuD' // Proc. Natl. Acad. Sei. 1989. Vol. 86. - P. 7301-7305.

132. Woodgate R., Singh M., Kulaeva O.I., Frank E.G., Levine A.S., Koch W.H. Isolation and Characterization of Novel Plasmid-Encoded umuC Mutants // J. Bacter. 1994. Vol. 176.-P. 5011-5021.

133. Yang I-Y., Miller H., Wang Z, Frank E.G., Ohmori H., Hanaoka F., Moriya M. Mammalian Translesion DNA Synthesis across an Acrolein-derived Deoxyguanosine Adduct // J. Biol. Chem. 2003. Vol. 278. - P. 1398913994.

Информация о работе

Белов, Олег Валерьевич
кандидата биологических наук
Дубна, 2010
ВАК 03.01.01

Диссертация

Математическое моделирование индуцированного мутационного процесса в клетках Escherichia coli при действии ультрафиолетового излучения - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы