научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТИ ГЕНОВ GАР В ДРОЗОФИЛЕ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЧИВОСТИ МОРФОГЕНА ВIСОID Биология

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТИ ГЕНОВ GАР В ДРОЗОФИЛЕ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЧИВОСТИ МОРФОГЕНА ВIСОID»

БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 2, с. 225-233

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА

УДК 577.3

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТИ ГЕНОВ GAP В ДРОЗОФИЛЕ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЧИВОСТИ МОРФОГЕНА BICOID

© 2015 г. С.А. Андреев, М.Г. Самсонова, В.В. Гурский*

Санкт -Петербургский государственный политехнический университет, 195251, Санкт-Петербург, Политехническаяул., 29;

*Физико-тех нический институт им. А .Ф. Иоффе, 194021, Санкт-Петербург, Политех ническая ул., 26

E-mail: &ат&оп@&рЪса&.ги Поступила в p едакцию 12.12.14 г.

На ранних стадиях эмбриогенеза плодовой мушки дрозофилы картины экспрессии генов сегментации формируются под влиянием материнских градиентов транскрипционных факторов, которые запускают пространственно локализованную экспрессию в каскаде сегментационных генов. Одним из таких активаторов является Всё. И сследована одна из моделей регуляции в сети генов gap в условиях вариации концентрации этого белка. Показано, что известная информация о топологии взаимодействий генов в сети не достаточна для объяснения экспериментальных данных по сдвигам антериорного домена экспрессии гена hb при изменении концентрации Всё в эмбрионе. В результате моделирования с учетом этих данных выявляется новая топология, определяющая правильные сдвиги домена экспрессии hb. Полученные результаты свидетельствуют о том, что взаимодействия в тройке генов hb, Kr и gt являются ключевыми для правильного поведения картины экспрессии hb при вариации концентрации Всё. П роведенное исследование позволяет уточнить границы применимости феноменологических моделей генных сетей.

Ключевые слова: дрозофила, гены сегментации, Bwoid, ЫпсШаск, генные сети, математическое моделирование.

Экспрессия материнских генов является первичным и важнейшим источником позиционной информации на ранних стадиях эмбр ионально-го развития многоклеточных ор ганизмов. П ро -дукты материнских генов образуют широкие градиенты концентраций, и их считывание и интерпретация приводят к детерминации судьбы клеток, а также определяют пространственное расположение клеток в эмбрионе. В результате детерминации в эмбрионе формируется пространственно неоднородная картина экспрессии генов, называемая паттер ном.

Плодовая мушка дрозофила является классической модельной системой для изучения ро -ли материнских градиентов в формировании позиционной информации. У этого организма функционируют три системы материнских генов, координир ующих формирование пространственного паттерна вдоль главной, антериор-но-постериорной (А-П) оси эмбриона. Антери-орная система представлена антериор но-посте-риорным градиентом белкового продукта гена Ысо1й (Ысф, являющегося транскрипционным фактором [1].

Сокращение: А-П - антериорно-постериорный.

Постериорная система включает постериор-но-антериорный градиент транскрипционного фактора Caudal (Cad). Этот гр адиент возникает из-за репрессии трансляции мРНК cad, изначально равномерно распределенной в цитоплазме ооцита, под действием Bcd. Другой посте-риорно-антериорный градиент образован белком Nanos, РНК-связывающим фактором, основной функцией которого является блокировка тр ансляции равномерно распределенной мРНК тр анскрипционным фактором Hunchback (Hb) в постериорной части эмбр иона [2].

Терминальная система, определяющая образование терминальных структур эмбриона (акрона и тельсона), представляет собой сигнальный путь, ключевым компонентом которого является тирозин-киназный рецептор torso. Эта система о существляет активацию терминальных зиготических gap-генов tailless (tll) и huckebein на полюсах эмбриона [3].

Интересно, что системы материнских гра-диентов предво схищают разбиение тела эмбрион дрозофилы на два отдела - головной и туловищный. В формирование эмбрионального паттерна в этих отделах вовлекаются разные зиготические гены и разные регулятор ные взаи-

модействия [4-6]. В дальнейшем, на стадии ранней гаструляции, на границе этих двух р азных систем формирования паттерна возникает головная бор оздка - пер вый морфологический признак программ детерминации судьбы клеток и дифференцировки [7,8].

Несмотря на большой объем публикаций, посвященных координирующей роли материнских факторов в образовании пространственно локализованной экспрессии генов в эмбрионе, исследования последних лет показали неоднозначность и сложность функционир ования материнских систем. Парадоксально, что большинство неясностей и противоречивых данных на сегодня касаются наиболее изученной анте-риорной системы, а именно гена bcd.

Согласно теории позиционной информации и иллюстрирующей ее модели французского флага, положение клеток, способных отвечать на локализованные биохимические сигналы, в поле развивающейся ткани определяется путем пассивного считывания пороговых концентраций градиента белка-мор фогена [9]. На о сновании исследований, проведенных в 80-е годы прошлого века, был сделан вывод, что градиент Всё обладает классическими функциями мор-фогена. Развитие всех антериорных структур эмбриона дрозофилы полностью зависит от Всё, а в отсутствие Всё головные и грудные структуры замещаются постериорными [10]. Было также показано, что микроинъекция мРНК bcd проводит к формированию антериорных структур вблизи сайта инъекции. Наконец, в экспериментах по изменению числа копий bcd было продемонстрировано, что пороговые значения концентраций этого градиента устанавливают позиции зиготических генов-мишеней вдоль оси А-П. Оказалось, что увеличение дозы bcd (три-шесть копий) приводит к сдвигу областей экспрессии генов-мишеней Всё - генов §ар и рак-ги1е - в постериор ном напр авлении, а уменьшение дозы (1 копия) - в антериор-ном [11].

Однако дальнейшие р езультаты во многом усложнили представления об установлении границ зиготических генов градиентом Всё. Было выяснено, что смещение областей экспрессии генов-мишеней при изменении дозы bcd зависит от положения этих областей относительно ур ов-ня концентрации Всё. Антериорные области наиболее чувствительны к изменению дозы bcd, а позиции более постериорных областей экспрессии реагируют в меньшей степени, что приводит к сужению паттерна в случае увеличения дозы и к его растяжению в случае ее уменьшения. Но даже антериорные области смещаются в меньшей степени, чем можно было бы

предположить согласно стандартной модели считывания пороговых концентраций морфоге-нетического градиента [12,13]. Более того, недавние исследования показали, что на ранних этапах эмбрионального развития области экспрессии генов-мишеней смещаются в полном соответствии с увеличением или уменьшением дозы bcd, и лишь в дальнейшем генная сеть частично адаптируется к данному изменению [14].

Эти р езультаты указывают на то, что р а с-шифровка механизмов интерпретации информации, заложенной в градиенте Всё, возможна только в контексте генной сети, с учетом взаимодействий материнских систем и зиготических генов-мишеней. В отличие от экспериментальных подходов, основанных на использовании мутантов и генетических конструктов, математическое моделирование позволяет рассмотреть такие взаимодействия в интактном состоянии, адекватно описать их последствия и сформулировать гипотезы для дальнейшей экспериментальной проверки.

В этой статье мы разработали и изучили динамическое поведение математической модели, описывающей позиционную динамику экспрессии генов-мишеней в туловищном отделе у эмбрионов с измененным числом копий bcd. Мы показали, что модель корректно описывает экспериментальные данные по вариабельности паттерна Hb только ценой дефектов паттернов остальных генов §ар, а также выявили ключевые регулятор ные взаимодействия в сети, ответственные за этот эффект в модели.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для моделирования экспрессии в сети генов §ар была использована модель, предложенная в работах [15-18]. Модель описывает экспрессию генов hb, Kruppel (Kr), giant (gt) и knirps (kni) и со стоит из следующих уравнений:

dua dt

(N

= Rag

K

\

Yjabub{t) + YJEacvc{t) + ha

> = 1

■ Xaua(t) +

(1)

+ Da(n)[(ua-1(t) - ua(t)) + (ua+1(t) - ua(t))],

где ) - концентрация белка я-го гена в г-м ядр е эмбриона на А-П-оси в момент t, динамика которой определяется в уравнениях модели тр е-мя процессами - синтезом, деградацией и диффузией. Константа Яя определяет максимальную интенсивность синтеза я-го белка. Функция g описывает регуляцию синтеза и имеет форму гладкой монотонной функции пер еключения с нуля (ген неактивен) до единицы (ген экспр ес-

c

сируется c максимальной интенсивностью). Аргумент этой функции включает в себя все регуляторы a-го гена. В их число входят сами гены gap, р егулирующие друг друга по ср едством своих пр одуктов экспр ессии ub(t ) (N = 4), а также K дополнительных регуляторов uC(t) (K = 3), представляющих концентрации материнских белков Всё и Cad, а также тер минального белка Tll. Веса Tab и Eac определяют силу регулятор-ного влияния соответствующих транскрипционных факторов. Константа ha определяет пор ог базального ур овня экспр ессии. Р а спад белка моделируется как линейное слагаемое в уравнении с кинетической константой Xa. Последнее слагаемое в уравнении описывает диффузию белка в одномерной цепочке ядер с параметром диффузии Da(n), значение которого зависит от номер а цикла деления ядер n в силу уменьшения р асстояния между со седними ядр ами после каждого деления.

Динамика белков-пр одуктов генов gap моделируется во временном интервале от начала цикла деления 13 до конца цикла 14А. Симметр ич-ность паттер нов экспр ессии в дорсовентр альном направлении в эмбрионе позволяет редуцировать задачу к одномерной цепочке ядер вдоль А-П -оси, из которых рассматриваются те, которые попадают в интервал от 35 до 92% длины эмбр иона. В этой пр о стр анственной области система генов gap и рассмотр енные регулято р ы фо р-мируют замкнутую систему. Поскольку белковые пр одукты генов gap только начинают появляться в начале цикла 13, в качестве начальных условий в модели берутся нулевые концентр ации для всех этих белков, кр оме белка Hb, чья концентр ация на начало 13-го цикла пр едставляет собой пр о -стр анственный гр адиент материнского пр оисхо -ждения.

Модель успешно применялась для описани

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком