Генетический триггер Жакоба-Моно. Системы с взаимным ингибированием

1.

Генетический триггер
Жакоба-Моно
Системы с взаимным
ингибированием

2.

Генетический триггер
Взаимное ингибирование двух генов
Ген 2
–
Max Delbrück
(1906—1981)
Ген 1 Ген 2
–
Ген 1
Два стабильных состояния:
активен ген 1 или активен ген 2
Промежуточные нестабильны

3.

Генетический триггер
Взаимное ингибирование двух генов
–
Ген 1 Ген 2
–
François Jacob
(1920—2013)
Jacques Monod
(1910—1976)
Дмитрий Сергеевич
Чернавский
(1926—2016)

4. Работа одного гена

Регуляторный ген
Reg
оперон
ген
O1
свободен
репрессор
O3 (+репрессор)
неактивен
РНК полимераза
оперон
O2 (+РНК-полимераза)
идет транскрипция
мРНК
Белок = фермент
E
S
P
Реакция типа Михаэлиса-Ментен

5. Схема взаимного ингибирования двух генов

генов
Ген
Белок = фермент
Продукт
Корепрессор
Белок = репрессор
Регуляторный ген
Субстрат

6. Работа одного гена

Динамика состояний оперона.
Синтез мРНК.
dI 1
1
O2 I ,
dt 0
1
dO1
1
a2O1 O2 f (r )O1 a3O3 ,
dt
0
dO2
1
a2O1 O2 ,
dt
0
dO3
a3O3 f (r )O1.
dt
Регуляторный ген
Reg
O1
свободен
репрессор
оперон
O3 (+репрессор)
неактивен
РНК полимераза
O2 (+РНК-полимераза)
идет транскрипция
I – мРНК
Реакция Михаэлиса-Ментен
E – Белок = фермент
Ферментативный синтез.
E
dE 1
1
I E,
S
P
dt E
2
Результат: динамика концентрации продукта
dP
k 2 S
E
qP,
dt
KS S
a2 a3
dP
k 2 S 1 2
qP
dI
1
m
Q(r ) I .
dt K S S E 0 a2 a3 a3 k0 R
dt
1

7. Схема взаимного ингибирования двух генов

Динамика концентрации продукта
одного гена
a2 a3
dP
k S 1 2
2
qP
m
dt K S S E 0 a2 a3 a3 k0 R
Взаимная репрессия генов
R2 P1 , P1 R2
Динамика концентраций обоих продуктов
Параметры
dP1
A1
q1 P1 ,
m
dt
B1 P2
A
dP2
A2
q2 P2 .
m
dt
B2 P1
B
k 2 a2 a3 1 2 S
,
( K S S ) 0 E
0 a2 a3 a3
k0
.

8. Значение параметров

k+2 – активность фермента
Фермент E – белок гена 1
a2 – сродство РНК полимеразы к гену
a3 – скорость дерепрессии гена
1 – время жизни мРНК
2 – время жизни фермента
0 – время СИНТЕЗА мРНК
E – время СИНТЕЗА фермента
dP1
A1
q1 P1 ,
m
dt
B1 P2
dP2
A2
q2 P2 .
m
dt
B2 P1
a2 a3 1 2
k 2 S
A
( K S S ) 0 E
E
S
P
A – «общая интенсивность метаболизма»

9. Фазовый портрет

A<2
A>2
Для дифференцировки необходимо
повышение общей интенсивности метаболизма

10. Вегето-анимальные градиенты по Н3 лейцину – интенсивность синтеза белка

11. Вегето-анимальные градиенты по Н3 акриламиду – уровень АФК

12.

Вегето-Анимальный
градиент по лейцину
Вегето-Анимальный
градиент по акрил-амиду
Вариабельность по
лейцину (δ/М)

13.

Гаструляция у амфибий
Карта презумптивных зачатков
Эктодерма
∎1 – покровная
∎2 – нейральная
Мезодерма
∎3 – хорда
∎4 – сомиты
∎5 – вентральная
∎6 – Энтодерма
7 – бластоцель
8 – дорсальное
впячивание
9 – гастроцель
10 – дорсальная губа бластопора
11 – желточная пробка
12 – полость вторичной кишки
∎13 – нервные валики

14.

Гаструляция у амфибий
Вариабельность презумптивных зачатков
Эктодерма
∎Н – нейральный
зачаток
Мезодерма
∎Х – хорда
∎С – сомиты

15.

Генетический триггер
Взаимное ингибирование двух генов
Дмитрий Сергеевич
Чернавский
(1926—2016)
Одно
устойчивое
состояние
Бифуркация
Два
возможных
Область
устойчивых
вариабельно состояния
сти

16. Морфологическая вариабельность в ходе гаструляции

Высота ДГ
Хорда, стягивающая ДГ
CV – коэффициент вариации признака
M – среднее значение признака
Угол при ДГ

17.

18.

19.

Словарь «биология—математика»
Параллели в ключевых понятиях
Компетенция – способность
клетки (ткани) развиваться Одно устойчивое
состояние
в нескольких направлениях
Бифуркация – появление
новых состояний в потенциальном рельефе системы Бифуркация
Неустойчивое
состояние
Два новых
устойчивых
состояния
Детерминация – определение судьбы клетки (ткани)
Переход в бассейн притяжения одного из новых
состояний
Дифференцировка – реализация генетической программы, определяющей специфический фенотип клетки
Достижение нового устойчивого состояния

20.

Самоорганизация в развитии
эмбриона
Усложнение через бифуркации
Условие –
обратные связи
Одно устойчивое
состояние
Бифуркация
Неустойчивое
состояние
Два новых
устойчивых
состояния
+
+
Activator
Inhibitor
–
Бифуркация – область вариабельности
Одно
устойчивое
состояние
Бифуркация
Два
устойчивых
состояния