Modellierung der Morphologie von Arabidospis thaliana Daniel Skoraszewsky, Enrico Altmann Modellierung der Morphologie von Arabidospis thaliana

Überblick

Aufgabenstellung Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) in XL / GroIMP modellieren, dabei: Wachstum (zeitliche Entwicklung) Modell mit biometrischen Parametern Verknüpfung genetischer Informationen Modellierung von Arabidopsis-Mutanten (Mutation hat Auswirkungen auf Blüten und Längenwachstum der Stängel)

1. Erstellung des Topologischen Modells (nach Mündermann) Vorgehen 1. Erstellung des Topologischen Modells (nach Mündermann) 2. Prototyping: Arabidopsis-Bältter 3. Prototyping: ABC-Netzwerk 4. Integration

Teil I Topologisches Modell

Mündermann - Modell Implementierung des Architektur- Modells (nach Mündermann) Berücksichtigung von biometrischen Parametern (Wachstumslängen, Wachstums- raten,...) dabei Benutzung der Boltzmann- Funktion

Boltzmann - Funktion Boltzmann-Funktion Boltzmann-Funktion hilft dabei die Wachstumsraten natur- gerecht abzubilden

Prototyping: Blätter - Morphologie Teil II Prototyping: Blätter - Morphologie

Blätter - Modellierung Modellierung der Blätterform durch festgelegte Punktmenge (anhand des jeweiligen Blattes, dies wird mittels Parameter festgelegt)

Blätter - Modellierung Punkte werden mittels Splinefunktion verbunden

Blätter - Modellierung Einzeichnen der Blatt- achse Berücksichtigung der Krümmung des Blattes (anhand Blattgröße und dadurch bedingte Eigenlast des Blattes)

Blätter - Modellierung über Blattaußenkante und Mittelachse wird eine Haut gelegt (SKIN-Fläche = NURB-Fläche)

Blätter - Modellierung simultan für die andere Seite

Blätter - Modellierung

Prototyping: ABC - Netzwerk Teil III Prototyping: ABC - Netzwerk

Geninterpretation ABC – Blühgene bestimmen Phänotyp der Arabidopsis – Blüten Anderes Gen IL bestimmt Längenwachstum der Stängel(IL = internode length) Genom = [ (Allel A1, Allel A2) , verwendetes (Allel B1, Allel B2), „Modell“-Genom (Allel C1, Allel C2), für (Allel IL1, Allel IL2) ] Arabidopsis

Geninterpretation , wobei für die Allele gilt: Alelle Ax, Bx, Cx:  {0 , 1, 2} mit x = {1,2} , weiterhin gilt: Alelle ILx:  { 0 , 1 } mit x = {1,2} Damit gelingt es, Rezessivität und Dominanz zu modellieren!!! rezessiv dominant superdominant rezessiv dominant

Wie wird das Gen nun durch seine Allele bestimmt ? Geninterpretation Wie wird das Gen nun durch seine Allele bestimmt ? a1 a2 0 0 0 1 1 0 1 1 0 2 2 0 2 1 ... ... Verlust der Gen(aktivität) Wildtyp * Gilt nur für ABC-Blühgene (Super)Dominanz des Gens

( = Zur Modellierung von Genaktiväten) Bestehend aus: Regulatives Netzwerk ( = Zur Modellierung von Genaktiväten) Bestehend aus: Gendefinitionen/ Faktordefinitionen (Anfangskonzentration,Abbaurate,...) Dynamische Prozess(e) (Aktivierung/ Repression von einzelnen Genen, Veränderung von Konzentrationswerten)

Dynamik im Regulativen Netzwerk Synthese: Zerfall: ! Änderung von cp zum Zeitpunkt t

Beispiel für ein Regulatives Netzwerk (ABC) Zur Modellierung des Phänotyps der Arabidopsis-Blüte(n) activate( ) repress( )

Beispiel für ein Regulatives Netzwerk (ABC) liefert folgende Ergebnisse: Anhand der Faktorkonzentrationen wird entschieden welche Blütenblätter gerade gebildet werden

Modellierung von Mutation Für Modellierung von Arabidopsis-Blüte(n) Mutationen gilt: Verlust des Gens = Faktorkonz. bleibt unverändert! „Superdominaz“ des Gens = Gen-Überproduktion! (constitutive-Summanden)

Blüten - Mutationen Gen A superdominant Verlust von Gen A

Blüten -Mutationen Gen A superdominant Verlust von Gen A

Blüten -Mutationen Gen B superdominant Verlust von Gen B

Blüten -Mutationen Gen B superdominant Verlust von Gen B

Blüten -Mutationen Gen C superdominant Verlust von Gen C

Blüten -Mutationen Gen C superdominant Verlust von Gen C