Biomics

Построена дискретно-непрерывная модель молекулярно-генетической системы управления дифференциальной активностью генов в клетках клональной популяции у бактерий. Система состоит из 3-оперонного осциллятора и пары 2-оперонных триггеров, связанных между собой транскрипционными репрессорами. В модели учитываются основные кинетические параметры генной экспрессии: единичные интенсивности транскрипции генов и трансляции мРНК, коэффициенты деградации мРНК и белков, пороговые концентрации транскрипционных факторов, а также временные задержки. Исследован репертуар функциональных состояний системы, который включает в себя один периодический режим (с активным осциллятором) и два положения равновесия (с инактивированным осциллятором). Возможность сосуществования режимов определяется соотношениями скоростей синтеза и деградации генных продуктов всех трех динамических модулей системы. Проведены компьютерные эксперименты в условиях, имитирующих экспоненциальный рост клеточной популяции, с учетом линейного роста индивидуального объема клетки в клеточном цикле. Показано, что в широком диапазоне значений кинетических параметров каждый режим может стабильно наследоваться в ряду клеточных делений. Данное свойство относит генную сеть к классу эпигенов – особых наследственных единиц, в которых часть наследственной информации хранится, кодируется и передается потомству вне первичной структуры молекул ДНК генома. В модели выявлено типовое соотношение скоростей экспрессии генов сети, при котором происходит расщепление растущей клеточной популяции, поначалу эпигенетически однородной (инициальное состояние – периодический режим), на три субпопуляции, разнящиеся по эпигенетическому статусу образующих их клеток (альтернативные паттерны – периодический режим и два положения равновесия). Соответствующие эпигенотипы клеток могут отличаться нулевым, низким или высоким уровнями экспрессии целевых генов и тем самым детерминировать адаптационные стратегии как природных, так и эпигенетически модифицированных бактерий.

система управления, триггер, осциллятор, молекулярная динамика

1. Elowitz M.B., Leibler S.A. A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators // Nature. 2000. V. 403. P. 335-338. doi: https://doi.org/10.1038/35002125
2. Esquerré T., Laguerre S., Turlan C., Carpousis A.J., Girbal L., Cocaign-Bousquet M. Dual role of transcription and transcript stability in the regulation of gene expression in Escherichia coli cells cultured on glucose at different growth rates // Nucleic Acids Res. 2014. V. 42(4). P. 2460–2472. doi: https://doi.org/10.1093/nar/gkt1150
3. Galimzyanov A.V. «GREENCE» Technology for In Silico Analysis of Gene Network Dynamics in Individual Cells of a Clonal Population // Biophysics (Biofizika). 2006. V. 51, Suppl. 1. P. S66-S69. doi: https://doi.org/10.1134/S0006350906070141
4. Galimzyanov A.V., Stupak E.E., Tchuraev R.N. Epigene networks: Theory, models, and experiment // Biol. Bull. Rev. 2019. V. 9. P. 484-490. doi: https://doi.org/10.1134/S2079086419060021
5. Klumpp S., Zhang Z., Hwa T. Growth rate-dependent global effects on gene expression in bacteria // Cell. 2009. V. 139(7). P. 1366-1375. doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2009.12.001
6. Li T., Dong Y., Zhang X., Ji X., Luo C., Lou C. Zhang H.M., Ouyang Q. Engineering of a genetic circuit with regulatable multistability // Integr Biol (Camb). 2018. V. 10(8). P. 474-482. doi: https://doi.org/10.1039/c8ib00030a
7.  Sánchez-Romero M.A., Casadesús J. The bacterial epigenome // Nat. Rev. Microbiol. 2020. V. 18. P. 7-20. doi: https://doi.org/10.1038/s41579-019-0286-2
8. Tchuraev R.N., Galimzyanov A.V. Gene and epigene networks: Two levels in organizing the hereditary system // J. Theor. Biol. 2009. V. 259. P. 659-669. doi: https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2009.03.034
9. Tchuraev R.N., Stupak E.E., Stupak I.V., Galimzyanov A.V. A new epigene property: Metastable epigenotypes // Dokl. Biol. Sci. 2006. V. 406. P. 97-99. doi: https://doi.org/10.1134/S0012496606010285
10. Tchuraev R.N., Stupak I.V., Tropynina T.S., Stupak E.E. Epigenes: design and construction of new hereditary units // FEBS Lett. 2000. V. 486. P. 200–202. doi: https://doi.org/10.1016/S0014-5793(00)02300-0