Исследование динамики функционирования генных сетей методами математического моделирования

• Автор: Ратушный, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 03.00.28
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 246 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Особенности структурнофункциональной организации генных

СЕТЕЙ .

1.2 Генная сеть, контролирующая гомеостаз холестерина в клетках позвоночных

1.3 Молекулярногенетические механизмы регуляции дыхания ii сои

1.3.1 Аэробное дыхание.

1.3.2 Глобальные регуляторы аэробного дыхания у .i.

1.3.3 Анаэробное дыхание.

1.3.4 Глобальные регуляторы анаэробного дыхания у . i

1.3.5 Генная сеть регуляции дыхания у . i

1.4 Методы моделирования динамики молекулярногенетических систем.
1.4.1 История развития и обзор современных подходов и методов моделирования МГС .
1.4.2 Обзор математических моделей исследуемых в работе молекулярногенетических систем
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА
ДИНАМИКИ ГЕННЫХ СЕТЕЙ.
2.1 Обобщенный химикокинетический метод моделирования динамики генных сетей
2.2 Технология моделирования генетически регулируемого
МЕТАБОЛИЗМА БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ МЕТОД ОБОБЩЕННЫХ ФУНКЦИЙ ХИЛЛА
2.3 База данных по динамике и равновесным состояниям генных СЕТЕЙ .
2.4 Методы верификации моделей.
2.4.1 Замещение отдельных частей модели их более простыми
АНАЛОГАМ ИЛИ ТАБЛИЦАМИ.
2.4.2 Проецирование модели на частные задачи.
2.4.3 Эволюционные методы верификации моделей
ГЛАВА 3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ДИНАМИКИ ГЕННОЙ СЕТИ, КОНТРОЛИРУЮЩЕЙ ГОМЕОСТАЗ
ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО ХОЛЕСТЕРИНА.
3.1 Компьютерная модель генной сети, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина.
3.1.1 Процессы поступления и утилизации низкомолекулярных веществ в системе внутриклеточного синтеза холестерина.
3.1.2 Моделирование метаболического пути синтеза холестерина в клетке
3.1.2.1 Математическая модель регуляции активности ацетоацетилСоА тиолазы Ц ЕС 2.3.1.
3.1.2.2 Математическая модель регуляции активности НМССоА синтазы ЕС 2.3.3. .
3.1.2.3 Математическая модель регуляции активности пренилтрансферазы ЕС
2.5.1.1, ЕС 2.5.1.
3.1.3 Моделирование процессов регуляции транспорта БЯЕВР из ЭНДОПЛАЗМ АТИЧЕСКОГО РЕТИКУ ЛУМА В АППАРАТ ГОЛЬДЖИ И ДАЛЬНЕЙШАЯ ТРАНСПОРТИРОВКА АКТИВНЫХ транскрипционных факторов ТФ в ЯДРО
3.1.4 Моделирование процессов регуляции транскрипции генов, ПРОДУКТЫ КОТОРЫХ УЧАСТВУЮТ в поддержании гомеостаза внутриклеточного холестерина, ТФ 8ЯЕВР1л и БЕВР
3.1.5 Моделирование процессов созревания синтезированных мРНК и синтеза белков
3.1.6 Моделирование процессов поступления и утилизации
липопротеинов низкой плотности ЛНП в плазме крови.
3.1.7 Моделирование процессов рецепторопосредованного эндоцитоза ЧАСТИЦ ЛНП.
3.1.8 Моделирование процессов депонирования холестерина в клетке в виде олеата
3.1.9 Моделирование модуляции активности НМвСоА редуктазы .
3.1. Моделирование холестеринчувствительного процесса регуляции деградации НМОСоА редуктазы
3.1. Моделирование процессов утилизации и деградации высокомолекулярных веществ в клетке.
3.1. Верификация общей математической модели генной сети,
контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина
3.2 Моделирование влияния мутаций в генной сети, контролирующей гомеостаз внутриклеточного холестерина
3.2.1 Моделирование влияния мутаций в гене рецептора ЛНП на РАВНОВЕСНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕННОЙ СЕТИ ГОМЕОСТАЗА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО ХОЛЕСТЕРИНА.
3.2.2 Анализ мутационного портрета генной сети, контролирующей
ГОМЕОСТАЗ ХОЛЕСТЕРИНА В КЛЕТКЕ.
3.3 Моделирование эволюции диплоидной генной сети,
КОНТРОЛИРУЮЩЕЙ ГОМЕОСТАЗ ХОЛЕСТЕРИНА В КЛЕТКЕ
3.2.1 Процедура имитации эволюции
3.2.2 Моделирование эволюции генной сети при переходе из НОРМАЛЬНОЙ СРЕДЫ в среду С низким уровнем поступления ЭКЗОГЕННОГО холестерина
3.2.3 Моделирование скрещиваний особей, имеющих диплоидные генные сети, адаптированные к РАЗЛИЧНЫМ СРЕДАМ.
ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
МОЛЕКУЛЯРНОГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАНИЯ
КЛЕТКИ Е.СОЫ.
4.1 Математическая модель регуляции оперона .
4.2 Математическая модель регуляции экспрессии оперона .
4.3 Математическая модель регуляции экспрессии оперона
4.5.1 Построение модели в терминах концентраций регуляторов
I 4.5.2 Построение модели, описывающей активность промотора в ,
Vзависимости от концентрации кислорода.
4.4 Математическая модель регуляции экспрессии оперона .
4.5.1 Построение модели в терминах концентраций регуляторов
4.5.2 Построение модели, описывающей активность промотора в зависимости от концентрации кислорода
4.5 Построение потоковых моделей основных катаболических путей клетки Е. сои
4.5.1 Математическая модель скорости наработки ацетата в зависимости от уровня кислорода в среде в клетках дикого типа и мутанте АагсА.
4.5.2 Математические модели скорости наработки этанола и муравьиной кислоты
4.5.3 Математическая модель зависимости потока углерода через цикл трикарбоновых кислот от содержания кислорода в среде.
4.5.4 Математическая модель скорости потока углерода через пируватдегидрогеназный комплекс
4.5.5 Суммарная потоковая модель интенсивности дыхания клетки в зависимости от насыщенности среды кислородом.
4.5.6 Математические модели скоростей потребления кислорода цитохром i и цитохром Ьооксидазами.
4.6 Предсказание с помощью модели скорости потребления кислорода цитохром оксидазой мутанта .
4.7 Предсказание с помощью модели скорости потребления кислорода цитохром вооксидазой мутанта .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Гомеостаз холестерина в клетках позвоночных преимущественно регулируется двумя мембрансвязанными транскрипционными факторами ТФ ii i и 2. Транскрипционноактивные факторы функционируют в клетке в виде гомо и гетсроднмеров . Белки принадлежат к i i ixix i i семейству транскрипционных факторов , . В отличие от других IIi белков, синтезируются в виде связанных с мембраной транскрипционнонеактивных предшественников. Все предшественники имеют ЫН2концевой домен, размером примерно 0 а. СООНконцевой домен 0 аминокислот, который имеет регуляторную функцию. Белки локализуются в мембране ЭР, при этом 2 и СООНконцевыс домены обращены в цитозоль i, . Таблица 1. Гены, участвующих во внутриклеточном биосинтезе холестерина и его транспорте в клетку извне, уровень транскрипции которых увеличивается в гепатоцитах трансгенных по и 2 мышей и уменьшается в нокаутных по . I 0. Ii1 0. Образование активной формы ТФ напрямую зависит от содержания холестерина в клетке. Чувствительным к внутриклеточному содержанию холестерина звеном в данной генной сети, за счет которого реализуется отрицательная обратная связь, ответственная за поддержание гомеостаза холестерина в клетках позвоночных, является транспорт комплекса v ivi i из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи АГ. В АГ происходит последовательный двухэтапный протеолиз комплекса посредством 2 протсаз i1 и i2 и высвобождение активной формы , которая проникает в ядро клетки, специфически связывается со стеролрегуляторными элементами генов, кодирующих ферменты пути биосинтеза холестерина, рецепторы липопротеинов низкой плотности ЛНП и др. Ключевым этапом, определяющим транспорт комплекса из ЭР в АГ, является конформационное изменение белка . При высоком содержании холестерина в клетке конформация позволяет комплексу связываться в ЭР с двумя близкородственными мембранфиксирующими белками инсулининдуцированного гена iii Ii1,2 i i . АГ. При низком содержании холестерина в клетке принимает конформацию, которая позволяет комплексу диссоциировать с мембранфиксирующим белком и транспортироваться в составе СОР II везикул в АГ i . Рис. Ключевые компоненты системы регуляции транскрипции стеролзависимых генов i . Комплекс транспортируется из ЭР в АГ в ответ на низкое содержание стеролов в клетке. Сконцевыми доменами белков 5 Тгр повторов в . При низком уровне стеролов, комплекс транслоцируется из ЭР в АГ, где происходит последовательный двухэтапный протеолиз комплекса посредством 2 протеаз i1 и i2 и высвобождение активной формы , которая проникает в ядро клетки, специфически связывается со стеролрегуляторными элементами геновмишеней. Помимо регуляции белками транскрипции генов, продукты которых участвуют в поддержании внутриклеточного гомеостаза, существует также контроль на постранскрипционном уровне, по крайней мере, в случае редуктазы, которая катализирует лимитирующую стадию внутриклеточного биосинтеза холестерина в мевалонатном пути i, , . Количество редуктазы в клетке регулируется на различных уровнях , , регуляция стабилизации мРНК i, , , регуляция эффективности трансляции . На сегодняшний день известно, но крайней мере, три различных механизма краткосрочной модуляции редуктазы с помощью ковалентного фосфорилирования. Эти механизмы включают в себя три различные специфические киназные системы, в которые входят киназа редуктазы, протеин киназа С и 2 кальмодулинзависимая киназа . Кроме собственного синтеза, одновременно при появлении избытка свободного холестерина в клетке угнетается синтез рецепторов ЛНП см. ЛНП клеткой. Наконец, свободный холестерин активирует микросомальный энзим ацилСоАхолестерин ацилтрансферазу АХАТ, эстерифицирующий холестерин, тем самым способствуя депонированию эфиров холестерина в цитоплазме Климов, Никульчева, . На рисунке 4 приведены основные факторы, влияющие на баланс холестерина на уровне клетки. Рис. Факторы, влияющие на баланс холестерина на клеточном уровне. X холестерин ЭХ эфиры холестерина АХАТ ацилСоАхолестеринацилтрансфераза, ЛХАТ лецитин холестеринацилтрансфераза А1 апобелок А1, ЛНП липопротеины низкой плотности, ЛОНП липопротеины очень низкой плотности схема приведена из работы .