Αφηρημένο

Με βάση την αλληλεπίδραση μεταξύ των παραγόντων μεταγραφής, ογκογονίδια, καταστολείς όγκων και microRNAs, ένα Boolean μοντέλο του δικτύου του καρκίνου ρυθμίζεται από το miR-17-92 συμπλέγματος κατασκευάζεται, και το δίκτυο συνδέεται με τον έλεγχο της G1 /S μετάβαση του κυτταρικού κύκλου θηλαστικών. Οι ιδιότητες ευρωστία αυτού του ρυθμιστικού δικτύου διερευνηθεί λόγω του Boolean θεωρία του δικτύου. Έχει βρεθεί ότι, κατά τη διάρκεια της G1 /S μετάβαση στη διαδικασία του κυτταρικού κύκλου, τα ρυθμιστικά δίκτυα σθεναρά κατασκευάζονται, και το ακίνητο ευρωστία διατηρείται σε μεγάλο βαθμό σε σχέση με μικρές διαταραχές στο δίκτυο. Με τη χρήση της μοναδικής διαδικασία προσέγγισης, η δομή αυτού του δικτύου αναλύεται. Έχει αποδειχθεί ότι το δίκτυο μπορεί να αναλυθεί σε ένα μοτίβο ραχοκοκαλιά η οποία παρέχει τις βασικές βιολογικές λειτουργίες, καθώς και ένα υπόλοιπο μοτίβο που καθιστά το ρυθμιστικό σύστημα πιο σταθερό. Ο κρίσιμος ρόλος του miR-17-92 στην καταστολή της G1 /S σημείου ελέγχου του κυτταρικού κύκλου και την αύξηση της ανεξέλεγκτο πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων, με στόχο μια γενετική δίκτυο αλληλεπιδρώντων πρωτεϊνών εμφανίζεται με το μοντέλο μας

Παράθεση:. Yang L, Meng Υ, Bao C, Liu W, Ma C, Li A, et al. (2013) Ανθεκτικότητα και Backbone Motif Δικτύου Καρκίνου Εποπτεύεται από miR-17-92 Cluster κατά τη διάρκεια της G1 /S μετάβαση. PLoS ONE 8 (3): e57009. doi: 10.1371 /journal.pone.0057009

Επιμέλεια: Πέτρος Csermely, Πανεπιστήμιο Semmelweis, Ουγγαρία

Ελήφθη: 31η Οκτωβρίου του 2012? Αποδεκτές: 16 του Ιανουαρίου, 2013? Δημοσιεύθηκε: 1 Μάρτη 2013

Copyright: © 2013 Yang et al. Αυτό είναι ένα άρθρο ανοικτής πρόσβασης διανέμεται υπό τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Attribution, το οποίο επιτρέπει απεριόριστη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, ​​με την προϋπόθεση το αρχικό συγγραφέα και την πηγή πιστώνονται

Χρηματοδότηση:. Αυτό το έργο υποστηρίχθηκε από το βασικό κρατικό πρόγραμμα ανάπτυξης για τη βασική έρευνα της Κίνας (2011CBA01103) στην GS, το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας στο πλαίσιο 11.105.058 (LJY), 81171074 (GS), 11105059 (ZX), 11175068 (YJ), και ο εαυτός -determined ερευνητικών κονδυλίων της CCNU από τη βασική έρευνα και τη λειτουργία του Υπουργείου Παιδείας των κολεγίων »: Όχι CCNU12A01011 (ZX). Οι χρηματοδότες δεν είχε κανένα ρόλο στο σχεδιασμό της μελέτης, τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων, η απόφαση για τη δημοσίευση, ή την προετοιμασία του χειρογράφου

Αντικρουόμενα συμφέροντα:.. Οι συγγραφείς έχουν δηλώσει ότι δεν υπάρχουν ανταγωνιστικά συμφέροντα

Εισαγωγή

η αποκάλυψη της σχέσης μεταξύ δομής και λειτουργίας είναι ένα κεντρικό θέμα στη βιολογία συστημάτων. Οι λειτουργίες του βιολογικού δικτύου μπορεί να εξερευνηθεί μέσω μαθηματικών μοντέλων και υπολογιστικών προσομοίωσης, αν είναι γνωστές οι βιοχημικές λεπτομέρειες της μοριακής δικτύου. Είναι επίσης σημαντικό να γνωρίζουμε πώς δικτυακές δομές συμβάλλουν στις βιολογικές λειτουργίες. Παρά την αναπόφευκτη ύπαρξη των εξωτερικών και εσωτερικών διαταραχών, όπως η γονιδιακή μετάλλαξη, ο θόρυβος μεταγραφή /μετάφραση, διαγραφή αλληλεπίδραση /Επιπλέον, και εξωτερικά ερεθίσματα του περιβάλλοντος, το βιολογικό σύστημα μπορεί συνήθως να διατηρήσει τις λειτουργίες του, αλλάζοντας τη σταθερή κατάσταση ή την έκφραση των σχετικών γονιδίων. Τέτοια ευρωστία έχει παρατηρηθεί ευρέως σε πολλούς βιολογικά συστήματα και εκδηλώσεις, π.χ., χημειόταξη σε βακτήρια, το ανοσοποιητικό σύστημα, καρκίνοι και του κυτταρικού κύκλου [1] – [4].

Είναι γνωστό ότι ο πολλαπλασιασμός των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι μια εντολή, καλά οργανωμένη διαδικασία που αποτελείται από τέσσερις φάσεις: G1, S, G2 και Μ (δηλαδή G1 → S → G2 → M → G1) [5], [6]. Αν και εξέλιξη του κυτταρικού κύκλου βασίζεται συνήθως σε διέγερση από μιτογόνα και μπορεί να αποκλειστεί από αντι-πολλαπλασιαστική κυτοκινών, τα καρκινικά κύτταρα εγκαταλείψουμε αυτούς τους ελέγχους και τείνουν να παραμένουν στο [7] του κυτταρικού κύκλου. . Τα κύτταρα που προχωρούν μέσα από την ανεξέλεγκτη μπορεί τελικά να σχηματίσουν κακοήθεις όγκους του κυτταρικού κύκλου

Σύμφωνα με το Boolean θεωρία του δικτύου, προηγούμενες έρευνες σθεναρά κατασκευάζονται διάφορα ρυθμιστικά δίκτυα του κυτταρικού κύκλου [8] – [10]. Οι περισσότερες από τις αρχικές καταστάσεις στο χώρο κατάστασης αυτών των Boolean δίκτυα ρέει προς τις βιολογικές σταθερές καταστάσεις στη διαδικασία του κυτταρικού κύκλου των εκκολαπτόμενους μαγιά (.) [8], σχάσης μαγιά (.) [9], και τα κύτταρα των θηλαστικών [10]. Μια πιο πρόσφατη μελέτη έδειξε ότι οι δομές του κυτταρικού κύκλου δίκτυο και των δύο. και. κύτταρα μπορούν να αναλυθούν σε ένα μοτίβο σκελετό και ένα υπόλοιπο μοτίβο χρησιμοποιώντας την μοναδική προσέγγιση διαδικασία που βασίζεται [11], όπου το μοτίβο ραχοκοκαλιά πραγματοποίησε την κύρια βιολογική λειτουργικότητα του δικτύου του κυτταρικού κύκλου.

Από την άλλη πλευρά, τεράστια αύξηση της κατανόησής μας των microRNAs (miRNAs) υποδηλώνει ότι τα miRNAs που συμμετέχουν στη ρύθμιση του προγράμματος κυτταρικού κύκλου των φυσιολογικών και καρκινικών κυττάρων [12]. miRNAs είναι ενδογενείς μικρά μη-κωδικοποίησης μονόκλωνο RNA, 19 έως 23 νουκλεοτίδια σε μήκος. Μπορούν να αναστείλουν τη γονιδιακή έκφραση μέσω δέσμευσης μερικώς συμπληρωματικές αλληλουχίες του εντός της αμετάφραστης περιοχής του mRNA που στόχο του [13]. Προφίλ των miRNAs σε ανθρώπινα δείγματα καρκίνου και κυτταρικές σειρές αποκάλυψε έναν αυξανόμενο αριθμό των ογκογόνων και όγκου miRNAs κατασταλτική, μεταξύ των οποίων ένα από τα πιο γνωστά miRNAs είναι miR-17-92 σύμπλεγμα [14]. Υπερ-έκφραση του miR-17-92 τόπο έχει ταυτοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα καρκίνων [15], όπως οι καρκίνοι του πνεύμονα, χρόνια μυελοειδή λευχαιμία, Β-κυττάρων και λεμφώματα κυττάρων του μανδύα, και ηπατοκυτταρικό όγκους. Επιπλέον, το σύμπλεγμα miR-17-92 φαίνεται να δρα ως καταστολέας όγκων σε κάποιο κυτταρικές γραμμές καρκίνου των ωοθηκών [16] του μαστού και. Η στενή σχέση μεταξύ του miR-17-92 και καρκίνους δείχνει ότι το miR-17-92 μπορεί να ρυθμίζει τις βασικές βιολογικές διεργασίες.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας του κυτταρικού κύκλου, πολλαπλά σημεία ελέγχου είναι τα εμπλεκόμενα μέρη να αξιολογήσουν εξωκυτταρικά σήματα ανάπτυξης, το μέγεθος των κυττάρων, και ακεραιότητα του DNA [17]. Υπάρχουν δύο κύρια σημεία ελέγχου: το G1 /S σημείο ελέγχου και το G2 /M σημείο ελέγχου. G1 /S μετάβασης είναι ένα βήμα περιορισμού του ρυθμού και είναι επίσης γνωστή ως το σημείο περιορισμού στον κυτταρικό κύκλο. Μετά την επίτευξη του κατάλληλου μεγέθους των κυττάρων, πρόωρη κύτταρα G1 ανεπανόρθωτα διασχίσει το σημείο ελέγχου στο τέλος του G1 φάση και έχουν δεσμευτεί να υποβάλλονται σε αντιγραφή του DNA (φάση S) που ακολουθείται από τη μίτωση [18]. Μεταβολές στα συστατικά που ρυθμίζουν σημείο ελέγχου διέλευσης και την είσοδο S-φάση φαίνεται να επηρεάζουν το επίπεδο του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων. Τώρα το ερώτημα είναι κατά πόσον οι ιδιότητες ευρωστία του καρκίνου ρυθμιστική δομή του δικτύου μπορεί να εξασφαλιστεί στα σημεία ελέγχου της διαδικασίας του κυτταρικού κύκλου. Μήπως το σύμπλεγμα miR-17-92 διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη διαδικασία του κυτταρικού κύκλου; Υπάρχει ένα δίκτυο κορμού που μπορεί να πραγματοποιήσει την βιολογική διαδικασία;

Στην παρούσα εργασία έχουμε κατασκευάσει ένα δίκτυο κυτταρικού κύκλου για να διερευνήσει την ευρωστία του δικτύου αυτού και τη σημασία του miR-17-92 cluster στον κυτταρικό κύκλο διαδικασία. Το δίκτυο συνδέεται με τον έλεγχο της μετάβασης G1 /S στον κυτταρικό κύκλο των θηλαστικών [17] – [19]. Boolean θεωρία του δικτύου εφαρμόζεται για τη διερεύνηση των ιδιοτήτων ευρωστία του ρυθμιστικού αυτού του δικτύου. Έχει αποδειχθεί ότι, ακόμη και κατά τη μετάβαση G1 /S κατά τη διαδικασία του κυτταρικού κύκλου, το ρυθμιστικό δίκτυο εξακολουθεί να είναι γερά κατασκευασμένο. Τέλος, χρησιμοποιώντας την μοναδική προσέγγιση διαδικασία που βασίζεται [11], βρήκαμε ότι η δομή του δικτύου μπορούν να αναλυθούν σε ένα μοτίβο ραχοκοκαλιά η οποία παρέχει τις βασικές βιολογικές λειτουργίες και που παραμένουν μοτίβο που καθιστά το ρυθμιστικό σύστημα πιο σταθερό.

Μοντέλο και Αποτελέσματα

1. Μοντέλο του κανονιστικού Δίκτυο για τον Καρκίνο

ορισμένους βασικούς ρυθμιστές εμπλέκονται στη μετάβαση G1 /S, για παράδειγμα, η μεταγραφή παράγοντες E2F και myc, τα ογκογονίδια Cdk2 /κυκλίνης Ε, cdc25A και Cdk4 /κυκλίνης D, και η καταστολείς των όγκων pRb και p27. Αυτές οι ρυθμιστές αποτελούν ένα λεγόμενο δίκτυο του καρκίνου [19] – [21]. καταστολείς των όγκων ενεργήσουν για να διατηρήσουν τα σημεία ελέγχου, ενώ ογκογονίδια επιτρέπουν σημεία ελέγχου που πρέπει να ξεπεραστούν. Το παράγοντες μεταγραφής E2F και Myc, ως ογκογονίδια ή καταστολείς όγκων (ανάλογα με τα επίπεδα έκφρασης τους), αναστέλλονται από miR-17-92 σύμπλεγμα (που δίνουν αυξήσεις σε επτά ώριμη microRNAs, συμπεριλαμβανομένων miR-17-5p, miR-17-3p , miR-18a, miR-19a, miR-19b, miR-20, και miR-92-1) [19], [22]. Σε αντάλλαγμα, η E2F και Myc επάγει την μεταγραφή του miR-17-92, σχηματίζοντας έτσι ένα βρόχο αρνητικής ανάδρασης στο δίκτυο αλληλεπίδραση. Ως ένα από τα πρώτα που αναφέρθηκαν και καλά μελετηθεί oncomiRs, ανθρώπινο miR-17-92 είναι σε θέση να δρα τόσο ως ογκογονίδιο και ένα καταστολέα όγκου σε διαφορετικές κυτταρικές πλαίσιο. Ωστόσο, ο υποκείμενος μηχανισμός είτε είναι κατασταλτικό του όγκου ή ογκογόνο για miR-17-92 miRNAs παραμένει άγνωστη.

Βασιζόμενος στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ρυθμιστικών παραγόντων και των miRNAs [19], έχουμε κατασκευάσει μια Boolean μοντέλο η G1 θηλαστικού /S μετάβαση ρυθμιστικού δικτύου (δίκτυο MGSTR) που περιλαμβάνουν ογκογονίδια, γονίδια καταστολής όγκων, και miR-17-92, όπως φαίνεται στο Σχ. 1. Η δομή αυτή περιέχει οκτώ κόμβους (κάθε κόμβος αντιπροσωπεύει ένα ρυθμιστικό στοιχείο) και δεκαεπτά γραμμές (κάθε γραμμή αντιπροσωπεύει μια αλληλεπίδραση μεταξύ των κόμβων). Υπάρχει συχνά ένα όριο για τη λειτουργική αριθμό αντιγράφων των επιμέρους μορίου σε βιοχημικές αντιδράσεις. αριθμό αντιγράφων των γονιδιακών προϊόντων υψηλότερη ή χαμηλότερη από το κατώτατο όριο μπορεί να εκπροσωπείται από δύο διαφορετικές καταστάσεις: ή να απενεργοποιήσετε. Ως εκ τούτου, η έκφραση των γονιδίων μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνολο-ή-τίποτα διεργασία, δηλαδή ένα δυαδικό διακόπτη ο οποίος έχει μόνο δύο καταστάσεις 1 και 0.

Το δίκτυο 8-node κατασκευάζεται με βάση την προηγούμενα πειραματικά αποτελέσματα [17] – [22]. Οι κυκλικές κόμβοι αντιπροσωπεύουν ογκογονίδιο, οι οκτάγωνο κόμβοι αντιπροσωπεύουν καταστολείς των όγκων, και το τετράπλευρο κόμβοι αντιπροσωπεύουν ογκογονίδια ή καταστολείς των όγκων. Πράσινο βέλος αντιπροσωπεύει ενεργό αλληλεπιδράσεις, και το μπλε (ή μαύρο) σφυροκέφαλοι αντιπροσωπεύουν ανασταλτικές αλληλεπιδράσεις

Η

Η εφαρμογή της Boolean θεωρία στο δίκτυο MGSTR μας, κόμβος στο δίκτυο έχει δύο καταστάσεις:. Αν έκφραση και διαφορετικά. Κόμβοι αλληλεπιδρούν και να ενημερώσει τα κράτη τους, σύμφωνα με τις ακόλουθες Boolean λειτουργίες: (1) όπου δηλώνει την κατάσταση του κόμβου () στο χρόνο. Η παράμετρος δομή του δικτύου είναι μια μήτρα? Ή αντιπροσωπεύει αντίστοιχα την ενεργοποίηση, καμία αλληλεπίδραση ή την αναστολή των βιολογικών μορίων. Οι αυτο-αναστολή (ή υποβάθμιση) επιδράσεις αυτών των κόμβων που υποδεικνύεται από το μαύρο σφυροκέφαλοι στο Σχ. 1, και που χρησιμοποιούμε για αυτό το είδος της αυτο-αναστολή. Όλες οι παράμετροι δομής του δικτύου MGSTR δίνονται στον Πίνακα 1. Αυτό το μοντέλο είναι μια εξιδανίκευση των ρυθμιστικών δικτύων σε πραγματικό γονίδιο. Απλή και αν είναι, δεν συλλαμβάνει το πώς η τοπολογία περιορίζει τη δυναμική των επιπέδων έκφρασης των γονιδίων και τη διάδοση των πληροφοριών μεταξύ των γονιδίων.

Η

2. Προσομοίωση του κανονιστικού Δίκτυο Καρκίνου

Με την επαναληπτική εφαρμογή του κανόνα ενημέρωση των Εξ. (1), η Boolean δίκτυο ανιχνεύει μια πορεία μέσα από το χώρο κατάστασης. Η υποβάθμιση των βιομορίων έχει γενικά μια χρονική καθυστέρηση, έτσι αν. Στην προσομοίωση μας, θέτουμε το χρόνο καθυστέρησης και το χρονικό βήμα. Δεδομένου ότι η αναστολή είναι συχνά πολύ ισχυρότερη από την ενεργοποίηση στο φυσικό βιολογικό σύστημα, παίρνουμε ως στις αναφορές [11] και [23].

Είναι γνωστό ότι οι κυτταρικές βιοχημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία, και ο αριθμός αντιγράφων του κάθε μόριο μπορεί να είναι υψηλότερες ή χαμηλότερες από το όριο της. Ως εκ τούτου, κάθε κόμβος του δικτύου μπορεί τυχαία να μείνουν σε ένα από τα δύο μέλη της, ή. κατάσταση του δικτύου είναι το διάνυσμα των τιμών των κόμβων ». Εντελώς, το δίκτυο MGSTR 8-κόμβος θα έχει ένα χώρο κατάστασης των κρατών.

Η ικανότητα επεξεργασίας πληροφοριών ενός σύνθετου δυναμικού συστήματος αντανακλάται στην στεγανοποίηση του χώρου καταστάσεων του σε ξένα λεκάνες έλξης. Τρέχουμε το μοντέλο από κάθε μία από τις 256 πιθανές καταστάσεις και όλοι οι κόμβοι ενημερώνονται ταυτόχρονα. Έχει βρεθεί ότι το σύστημα δυναμικής αποτελέσματα σε πέντε διαφορετικά ελκυστές. Η κατάσταση του ελκυστές και το μέγεθος της λεκάνης (Β) κάθε attractor δίνονται στον Πίνακα 2. Μπορεί να φανεί ότι τα περισσότερα από τα κράτη εισρεύσουν στην μεγαλύτερη στάσιμη κατάσταση ελκυστής ή υπερ σταθερός ελκυστής που προσελκύει ή κρατών. Αυτό σημαίνει ότι, αν και ενδογενείς και εξωγενείς τυχαίες διακυμάνσεις είναι αναπόφευκτες, η G1 θηλαστικών /S ρυθμιστική δυναμική πορεία είναι σχετικά σταθερή, και το δίκτυο MGSTR είναι ανθεκτική σχεδίαση.

Η

Το κράτος-χώρο γράφημα Εικ. 2 παρέχει μια οπτική αναπαράσταση της δυναμικής του συστήματος συλληφθεί από την ανάλυση του χώρου καταστάσεων. Κάθε πράσινο κόμβος σε αυτό το γράφημα αντιπροσωπεύει μια Boolean κατάσταση του συστήματος, και κάθε πορτοκαλί βέλος συμβολίζει τη μετάβαση από μια κατάσταση σε χρονικά μετέπειτα κατάσταση. Οι δυναμικές τροχιές του δικτύου και πώς συγκλίνει προς το μεγαλύτερο ελκυστή φαίνεται στο Σχ. 2. Τα μπλε βέλη δείχνουν την πιο δυνατή μετάβαση μονοπάτι που οδηγεί στο μεγαλύτερο ελκυστή.

Δυναμική τροχιές του κανονιστικού δίκτυο με 256 αρχικές καταστάσεις στο χώρο κατάστασης. Όλα τα κράτη συγκλίνουν προς ελκυστές σταθερό σημείο. Κάθε πράσινο κύκλο αντιστοιχεί σε μία συγκεκριμένη κατάσταση του δικτύου, και ο μεγαλύτερος κύκλος αντιστοιχεί στην S φάση. Τα βέλη μεταξύ των κρατών δικτύου δείχνουν την δυναμική ροή από το ένα κράτος στο μετέπειτα κατάσταση, και το μέγεθος της ροής υποδεικνύεται από το πάχος των βελών.

Η

Υπάρχουν δύο διαφορετικές ερμηνείες για τη λειτουργία της ελκυστές. Ένα εξής Kauffman που περιγράφει ότι ένας ελκυστής πρέπει να αντιστοιχεί σε έναν τύπο κυττάρων [24], μια άλλη ερμηνεία είναι ότι αντιστοιχούν στις κυτταρικές κράτη της ανάπτυξης, της διαφοροποίησης και απόπτωσης [25]. Όσο για το μοντέλο δικτύου MGSTR μας, το μεγαλύτερο ελκυστή στο χώρο κατάστασης πρέπει να αντιστοιχεί στην κατάσταση στην οποία τα κύτταρα ξεπεράσει το G1 /S σημείο ελέγχου και να μείνουν στην S φάση. Σε αυτή την περίπτωση, η σταθερότητα της κατάστασης των κυττάρων είναι εγγυημένη.

Προηγούμενη πειραματικά δεδομένα έδειξαν ότι η έκφραση ή η ενεργοποίηση των βασικών ρυθμιστικών αρχών αντικατοπτρίζεται στα χαρακτηριστικά του διακόπτη κατά τη διάρκεια της G1 /S μετάβαση. E2F και Myc επάγει την μεταγραφή του miR-17-92 [19], και αυτό miRNA έχει αποδειχθεί ότι καταστέλλουν την G1 /S σημείου ελέγχου κύκλου κυττάρου με τη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων σε πυρήνα δικτύου του κυτταρικού κύκλου [15]. Η E2F έχει υψηλά επίπεδα έκφρασης κατά την διάρκεια επίπεδα G2 /M και G0 /G1 μετάβαση και χαμηλή έκφραση σε φάση S [26]. Η έκφραση του Myc αυξάνει στο πρώιμο σημείο περιορισμού G1 και στη συνέχεια επιστρέφει σε ένα χαμηλότερο επίπεδο [27]. Η έκφραση του cdc25A φωσφατάσης και της κινάσης Cdk2 /κυκλίνη ενεργοποιούνται από Myc [28] – [30]. Το σύμπλοκο E2F /κυκλίνη εμφανίζεται κυρίως στη φάση G1, και στη συνέχεια το ποσό της μειώνεται καθώς τα κύτταρα εισέρχονται στην S φάση [26], [30] – [35]. Τα μέγιστα επίπεδα της πρωτεΐνης ρ27 βρέθηκε στη φάση G1 και ηρεμίας (G0) [7], [28], [30], [36] – [37]. Η pRb φωσφορυλιώνεται στα μέσα και όψιμης φάσης G, και στη συνέχεια το σύμπλοκο pRB /E2F προκαλεί την ενεργοποίηση του cdc25A [7], [27], [32], [35], [38]. Η Cdk4 /κυκλίνη ή την κινάση CDK6 /κυκλίνη ενεργοποιείται κατά τη διάρκεια φάσης G1 πριν Cdk2 /κυκλίνη αυξάνεται [7], [39] – [40]. μετάπτωσης φάσης G1 /S ρυθμίζεται από Cdk2 /κυκλίνη [31], [39] – [40]. Η ενεργοποίηση του cdc25A συμβαίνει κατά τη διάρκεια αργά G1 φάση και αυξήσεις των S και G2 φάσεων [39]. Οι μεταβάσεις των παραπάνω ρυθμιστικών αρχών μεταξύ ON και OFF συνοψίζονται στον Πίνακα 3. Η σύγκριση μεταξύ Πίνακα 2 και τον Πίνακα 3 προκύπτει ότι το μεγαλύτερο ελκυστής είναι S φάση.

Η

Από την άλλη πλευρά, η πορεία εξέλιξης στην το μεγαλύτερο ελκυστή στο χώρο κατάστασης θα πρέπει να συγκλίνει πάνω στο δυναμικό βιολογικό μονοπάτι. Είναι η πραγματική ή η δυνατότητα βιολογικής οδού στις δυναμικές πορείες, με άλλα λόγια, πώς να μάθετε την πιθανή βιολογικής οδού στις δυναμικές πορείες; Υπάρχει μια πιθανή βιολογικής οδού στη μεγαλύτερη στάσιμη κατάσταση ελκυστή (βλέπε το παχύ μπλε βέλος στο Σχ. 2), και η χρονική ακολουθία αυτής της οδού παρατίθεται στον Πίνακα 4. Σύμφωνα με την χρονική ακολουθία του Πίνακα 4, υπάρχει τέσσερα βήματα για την έκφραση ή την ενεργοποίηση των ρυθμιστικών αρχών. Πρώτον, η έκφραση της E2F, pRb, και κυκλίνη /Cdk4 ενεργοποιείται, και η έκφραση της E2F μπορεί να ενεργοποιηθεί από μόνο του. Η ενεργοποίηση της E2F αναστέλλεται από pRb, εν τω μεταξύ η έκφραση της pRb αναστέλλεται από Cdk4 /κυκλίνη η οποία έχει ένα αποτέλεσμα αυτο-αποικοδόμησης. Δεύτερον, η έκφραση του miR-17-92, Myc, cdc25A, και Cdk2 /κυκλίνη ενεργοποιείται από E2F. Συγχρόνως, η ενεργοποίηση του pRb αναστέλλεται από Cdk2 /CylinE. Τρίτον, η έκφραση του miR-17-92 ενεργοποιείται με Myc? η έκφραση του cdc25A ενεργοποιείται τόσο από Myc και Cdk2 /κυκλίνη, και την έκφραση της Cdk2 /CylinE ενεργοποιείται τόσο από Myc και cdc25A. Το Myc έχει μια επίδραση αυτο-αναστολής. Τέλος, η έκφραση του cdc25A και Cdk2 /κυκλίνη μπορεί να ενεργοποιηθεί από το άλλο, και ΜΙΚ-17-92 έχει μια επίδραση αποικοδόμηση. Πάνω από αποτελέσματα που λαμβάνονται από το μαθηματικό μοντέλο (Πίνακας 4) είναι σύμφωνες με τα προηγούμενα πειραματικά αποτελέσματα (Πίνακας 3).

Η

3. Σύγκριση με Random Network: Ευρωστία Test

Για να διερευνηθεί περαιτέρω αν η αρχιτεκτονική του δικτύου αυτού MGSTR έχει και άλλες ειδικές ιδιότητες, αναλύουμε το δίκτυό μας και 1.000 τυχαία δίκτυα με τον ίδιο αριθμό των κόμβων και τον ίδιο αριθμό γραμμών, όπως η δικτύου MGSTR. Έχει βρεθεί ότι (i) οι αντίστοιχες τυχαία δίκτυα έχουν συνήθως πιο ελκυστές με μέσο αριθμό attractor του. Το μέγεθος λεκάνη του μεγαλύτερου ελκυστή των περισσότερων τυχαίων δικτύων είναι μικρότερη από εκείνη του δικτύου MGSTR. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι το μέγεθος της λεκάνης attractor του ρυθμιστικού δικτύου καρκινικών κυττάρων έχει βελτιστοποιηθεί για να παρέχει βιολογική λειτουργία. (Ii) Η κατανομή του μεγέθους της λεκάνης attractor αυτών των τυχαίων δικτύων ακολουθεί ένα νόμο δύναμης (Εικ. 3). Μόνο ελκυστές είναι ίσο ή μεγαλύτερο από το μεγαλύτερο ελκυστής (Β = 184) του δικτύου MGSTR.

Υπολογίζεται από 1000 τυχαία δίκτυα με τον ίδιο αριθμό των κόμβων και τον ίδιο αριθμό γραμμών και δικτύων MGSTR μας.

Το μέγεθος της λεκάνης της ελκυστές (Β) σε ένα σύστημα είναι ένα ζωτικής σημασίας ποσότητα όσον αφορά την συμπεριφορά του δικτύου κατανόηση και μπορεί να σχετίζεται με άλλες ιδιότητες δικτύου, όπως η σταθερότητα. Ως εκ τούτου, η σχετική μεταβολή στο Β για τη μεγαλύτερη ελκυστής μπορεί να χρησιμεύσει ως μια μέτρηση σε δοκιμασία την αντοχή μας. Το δίκτυο MGSTR και οι τυχαίες δίκτυα διαταράσσονται διαγράφοντας ένα βέλος αλληλεπίδραση (Σχ. 4), προσθέτοντας ένα πράσινο ή μπλε βέλος μεταξύ των κόμβων που είναι null-συνδεδεμένες (Εικ. 5), ή η διακοπή της αλληλεπίδρασης ενός ενιαίου βέλους από την αναστολή σε ενεργοποίηση και αντίστροφα (Εικ. 6) [8]. Έχει αποδειχθεί ότι οι περισσότεροι διαταραχές δεν θα αλλάξει το μέγεθος του μεγαλύτερου attractor σημαντικά (είναι μικρό) στο δίκτυο MGSTR, γεγονός που υποδηλώνει το δίκτυο MGSTR μας έχει υψηλό

ομοιοστατική σταθερότητα

[8]. Τέτοιες υψηλές

ομοιοστατική σταθερότητα

δεν διατηρείται καλά στο σύνολο των τυχαίων δικτύων με το ίδιο μέγεθος (Εικ. 4-6). Υψηλή ευρωστία του δικτύου MGSTR μπορεί να αποδοθεί στη δομή και τις αλληλεπιδράσεις εντός του ρυθμιστικού συστήματος.

Η κατανομή των σχετικών αλλαγών () κάτω από την διατάραξη της διαγραφής 21 βέλη αλληλεπίδραση από το δίκτυο MGSTR και τυχαία δίκτυα. Η πλειοψηφία των τιμών είναι μικρά, πράγμα που δείχνει ότι οι περισσότερες διαταραχές δεν θα αλλάξει το μέγεθος του μεγαλύτερου attractor σημαντικά.

Η

Η κατανομή των σχετικών αλλαγών () κάτω από την διατάραξη της προσθήκης 86 βέλη αλληλεπίδραση σε MGSTR μας δίκτυο. Η πλειοψηφία των τιμών είναι μικρά, πράγμα που δείχνει ότι οι περισσότερες διαταραχές δεν θα αλλάξει το μέγεθος του μεγαλύτερου attractor σημαντικά.

Η

Η κατανομή των σχετικών αλλαγών () κάτω από την διατάραξη της μεταγωγής 16 βέλη αλληλεπίδραση στο MGSTR δίκτυο. Οι περισσότερες από τις τιμές είναι μικρές, ενώ περίπου 25 των τιμών βρίσκονται στο διάστημα 0.91.0.

Η

4. Backbone μοτίβο του Δικτύου Ρυθμιστική Cancer

Λόγω της δομής του δικτύου MGSTR και η χρονική ακολουθία της οδού η οποία είναι γνωστό ότι είναι βιολογικά σημαντική, είναι μια ραχοκοκαλιά μοτίβο που μπορεί να επιτύχει μεγάλες βιολογική λειτουργικότητα εκεί; Εάν υπάρχει ένα μοτίβο ραχοκοκαλιά, ποια είναι η δυναμική συμπεριφορά του υπόλοιπου μοτίβο; Για να αντιμετωπιστούν αυτά τα ζητήματα, θα υιοθετηθεί η μέθοδος της διαδικασίας που βασίζεται σε αποσύνθεση του δικτύου [11].

Για την δυναμική συνάρτηση δίνεται από τον Πίνακα 4, κάθε κόμβος του δικτύου έχει τρεις λογικές εξισώσεις, όπως φαίνεται στις μεθόδους και λύσεις της Εξ. (2) – (12) είναι οι ελάχιστες γραμμές που θα πρέπει να διατηρούνται κατά την κατασκευή του μοτίβου κορμού (Πίνακας 5). Βασιζόμενος στην Πίνακα 5, εξάγουμε ένα μοτίβο ραχοκοκαλιά από το πλήρες δίκτυο όπως φαίνεται στο Σχ. 7.

Πλήρης MGSTR δίκτυο αποσυντίθεται σε ένα μοτίβο σπονδυλική στήλη (α), η οποία παρέχει τα σημαντικότερα βιολογικές λειτουργίες και ένα υπόλοιπο μοτίβο (β) το οποίο καθιστά το σύστημα πιο σταθερό.

Η

Για να διερευνήσουν το ρόλο του κορμού μοτίβο στο /κανονιστικού δικτύου G1 θηλαστικών S, υπολογίζουμε τις δυναμικές ιδιότητες του κορμού μοτίβο, χρησιμοποιώντας το Boolean κανόνα στην Εξ. (1). Η αντίστοιχη κατάσταση ελκυστές και το μέγεθος της λεκάνης από αυτού του υπολογισμού δίνονται στον Πίνακα 6. Έχει αποδειχθεί ότι υπάρχουν 12 ελκυστές, μεταξύ των οποίων το μεγαλύτερο ελκυστής (η πρώτη σειρά του πίνακα 6) αντιστοιχεί στο σούπερ σταθερός ελκυστής του πλήρους δικτύου . Ως εκ τούτου, η κύρια λειτουργία του δικτύου MGSTR ακόμα επέμενε. Το μοτίβο σπονδυλική στήλη είναι το θεμελιώδες δομικό στοιχείο του δικτύου. Ωστόσο, το μέγεθος της λεκάνης του μεγαλύτερου attractor του μοτίβου ραχοκοκαλιά είναι μόλις 120 ή των αρχικών μελών, η οποία είναι πολύ μικρότερη από αυτή του πλήρους δικτύου (). Αυτό σημαίνει ότι το υπόλοιπο μέρος του δικτύου παίζει σημαντικό ρόλο σε πραγματικό βιολογικές ρυθμιστικές διαδικασίες και δυναμικές ιδιότητες του κορμού μοτίβο γίνει ασταθές, χωρίς το υπόλοιπο μοτίβο.

Η

Όλες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των miR-17-92 και οι άλλοι ρυθμιστικοί παράγοντες διατηρούνται στον σκελετό μοτίβο (Εικ. 7). Αυτή η παρατήρηση, μαζί με τα πειραματικά αποτελέσματα σε ref. [15], [16], [19], υπογραμμίζει τη σημασία της mir-17-92 στην αντιμετώπιση της G1 /S σημείου ελέγχου του κυτταρικού κύκλου και την αύξηση του ποσοστού του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων με τη στόχευση ενός δικτύου αλληλεπιδρώντων παραγόντων.

Συμπεράσματα και Συζήτηση

Μοντελοποίηση του μοριακού ρυθμιστικού δικτύου που ελέγχει κυτταρικού κύκλου των θηλαστικών είναι μια προκλητική και μακροχρόνια προσπάθεια. Εστιάζοντας στο δίκτυο πυρήνα που ελέγχει τον καρκίνο του κυτταρικού κύκλου, έχουμε κατασκευάσει ένα Boolean δίκτυο με αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ογκογονιδίων και γονιδίων καταστολής όγκου (Σχ. 1). Παρά το γεγονός ότι το δίκτυο MGSTR που κατασκευάζουμε είναι η απλούστευση της ενδοκυτταρικής διαδικασίας, η μελέτη των σχέσεων μεταξύ δομής και δυναμικής συμπεριφοράς αυτού του Boolean του δικτύου έχει αποφέρει σημαντικές γνώσεις σχετικά με τις συνολικές συμπεριφορές των ρυθμιστικών δικτύων καρκίνου του κυτταρικού κύκλου. Η δυναμική του δικτύου χαρακτηρίζεται από μία κυρίαρχη ελκυστή στο χώρο όλων των πιθανών αρχικές καταστάσεις (Εικ. 2). Προσελκύει 184 ή αρχικές καταστάσεις του Boolean δικτύου (Πίνακας 2). Επιπλέον, βασίζεται αποκλειστικά στην σύνδεση μεταξύ των κόμβων, και παραμελώντας άλλες βιοχημικές λεπτομέρειες, το δίκτυο αυτό αναπαράγει τη χρονική αλληλουχία της δραστηριότητας των γονιδίων κατά μήκος του βιολογικού καρκίνος του κυτταρικού κύκλου (βιολογική οδός). Η δυναμική του δικτύου του κυτταρικού κύκλου μας είναι αρκετά σταθερή και ισχυρή για τη λειτουργία του σε σχέση με μικρές διαταραχές (Εικ. 4, 5, 6).

Υπάρχουν και άλλα μοντέλα του δικτύου του κυτταρικού κύκλου που περιλαμβάνει περισσότερες μεταβλητές γονίδιο από το αυτό που έχουμε εδώ. Δεδομένου ότι οι βαθμοί πολυπλοκότητας αυξάνεται εκθετικά με το μέγεθος του συστήματος, είναι γενικά δύσκολο να εξερευνήσει μεγάλα συστήματα. Πρόσφατα, διάφορες μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί και εισήγαγε για να ερευνήσει την ιδιοκτησία και τη μετάβαση των πληροφοριών σε μεγάλες Boolean δίκτυα. Akutsu et al. παρουσιάζονται διάφοροι αλγόριθμοι για τον εντοπισμό περιοδική ελκυστές και μονήρεις ελκυστές στο Boolean δίκτυα [41], [42]. Με τη χρήση του γονιδίου παραγγελιών και σύνολα κορυφή ανατροφοδότηση στους αλγόριθμους, Zhang και οι συνεργάτες του εντόπισαν μονήρεις ελκυστές και μικρές ελκυστές στο Boolean δίκτυα [43]. Krawitz et al. διαπίστωσε ότι η ικανότητα πληροφορίες ενός τυχαίου Boolean δικτύου είναι μέγιστη στο κρίσιμο όριο μεταξύ των διέταξε και διαταραγμένο φάσεις με την εισαγωγή μιας νέας παραμέτρου του δικτύου, η εντροπία λεκάνη [44].

Υπάρχουν συνήθως υπάρχει κάποια κρίσιμες αλληλεπιδράσεις, κόμβους, ή μοτίβα ραχοκοκαλιά που πληρούν την κύρια λειτουργία στο δίκτυο ρύθμισης. Σύμφωνα με το δυναμικό βιολογικής οδού στο χώρο κατάστασης, μπορούμε ακόμη να αποσυντεθούν το μοντέλο μας σε ένα μοτίβο σπονδυλική στήλη που παρέχει τις μεγάλες βιολογικές λειτουργίες και ένα υπόλοιπο μοτίβο που κάνει το σύστημα πιο σταθερό (Πίνακας 6). Υπάρχουν και άλλες δημοσιεύσεις που ισχύουν διάφορες μέθοδοι για τον εντοπισμό σημαντικών οδών, κρίσιμες δομές του δικτύου, μοτίβα δικτύου και βρόχοι ανάδρασης σε ρυθμιστικών δικτύων. Για παράδειγμα, Choi et al. κατασκεύασε ένα Boolean μοντέλο του ρυθμιστικού δικτύου P53 [45]. ανάλυση των κρατικών χώρο με ένα τοπίο attractor χρησιμοποιήθηκε για να προσδιορίσει συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις που ήταν ζωτικής σημασίας για τη μετατροπή των κυκλικών ελκυστές να επισημάνω ελκυστές ως απάντηση σε βλάβη του DNA. Το έργο της Schlatter et al. συζήτησαν την ανακάλυψη των σχετικών κόμβων σε ένα δίκτυο μονοπατιών σηματοδότησης της απόπτωσης [25]. Verdicchio et al. Πρόσφατα αποκάλυψε βασικούς παίκτες στο δίκτυο του κυττάρου μαγιάς κύκλου και το δίκτυο των WNT5A για το μελάνωμα, αναλύοντας τη λογική της ελαχιστοποίησης των συλλογών των κρατών στην Boolean λεκάνες δίκτυο της έλξης [46].

Το κρίσιμο ρόλο της ΜΙΚ 17-92 στην εξασφάλιση του οδοφράγματος ξεπερνώντας σε καρκίνο του κυτταρικού κύκλου φαίνεται στο σκελετό μοτίβο του δικτύου MGSTR (Εικ. 7). microRNAs, και ευρύτερα, μη-κωδικοποίησης RNAs έχουν αναγνωρίζεται όλο και περισσότερο ως βασικοί ρυθμιστές σε κρίσιμους βιολογικά γεγονότα [47] – [51], αν και οι ρόλοι της πλειοψηφίας των μη-κωδικοποίησης RNAs εξακολουθούν να παραμένουν ασαφείς. Η εργασία μας δείχνει ότι υπολογιστική προσομοίωση των βιολογικών διεργασιών μπορεί να βοηθήσει μελλοντικά αποκάλυψη των ρυθμιστικών ρόλων της μη-κωδικοποίησης RNA.

Στην προσομοίωση μας του δικτύου MGSTR, χρησιμοποιούμε το χρησιμοποιείται συχνά παραδοχή της σύγχρονης ενημέρωσης. Ωστόσο, αυτή η υπόθεση μπορεί να είναι ρεαλιστική σε ορισμένες μοριακών συστημάτων όπου χρειάζονται μια ποικιλία από τα χρονοδιαγράμματα, από κλάσματα ενός δευτερολέπτου σε ώρες, να εκπροσωπείται σωστά. Ορισμένες μελέτες πρότυπο και ανέλυσε τον κανόνα ασύγχρονη ενημέρωση στο πλαίσιο των τυχαίων Boolean δίκτυα [52], [53]. Για παράδειγμα, με σύγχρονη και ασύγχρονη διαφορετικές μεθόδους ενημέρωσης, Assieh et al. συστηματικά σε σύγκριση με τις δυναμικές συμπεριφορές που εμφανίζονται από μια Boolean δίκτυο μεταγωγής σήματος [53]. Η εργασία τους επεσήμανε ότι η ατάραχος σύστημα διαθέτει μια ενημέρωση-ανεξάρτητο σταθερό σημείο, ενώ η ενόχλησή συστήματα οδηγήσει σε μια παρατεταμένη attractor υπό την διάρρηξη ενός συγκεκριμένου κόμβου. Διεργασίες που διέπουν γονίδιο ρυθμιστικά δίκτυα λαμβάνουν χώρα σε μοριακό επίπεδο, και οι διακυμάνσεις του αριθμού των μορίων των κρίσιμων παραγόντων επηρεάσουν το τελικό αποτέλεσμα των ρυθμιστικών δικτύων. Έτσι, είναι ιδιαίτερα απαραίτητο να εφαρμοστεί στοχαστικές προσομοιώσεις για πιο ρεαλιστική περιγραφή της κινητικής της αντίδρασης. Braunewell et al. ερεύνησαν την σταθερότητα του δικτύου του κυτταρικού κύκλου μετά την προσθήκη ενός θορύβου στοχαστική καθυστέρηση [54]. Βρήκαν ότι το σύστημα παρουσιάζει ισχυρή συμπεριφορά υπό τη διατάραξη του θορύβου χρόνου μετάδοσης. Θα άξιζε την ανάπτυξη σημερινό μοντέλο μας σε μια πιο ρεαλιστική, με την προσθήκη ασύγχρονη κανόνα ενημέρωσης και στοχαστική θόρυβο.

Από τη δημοσίευση του δημιουργική εργασία από Kauffman, Boolean δίκτυο έχει ένα από τα πιο εντατικά μελετηθεί μοντέλα σε συστήματα βιολογία [24]. Σε σύγκριση με τις συνήθεις διαφορική εξίσωση (ODE) μοντέλα, τα Boolean δίκτυα περιορίζονται στην προσέγγιση πειραματικά αποτελέσματα και στη λήψη πλαίσιο ειδικών ποσοτικών προβλέψεις της κυτταρικής δυναμική. Ωστόσο, οι αιτήσεις των Boolean δικτύου στην μοντελοποίηση πραγματικών βιολογικών κυκλώματα έχουν δείξει ότι μπορούν να προβλέψουν τις συνέπειες των πρωτεϊνών και των δραστηριοτήτων γονίδιο με πολύ λιγότερες παραμέτρους από τις κλασικές διαφορικές εξισώσεις. Τα αποτελέσματά μας από την ανάλυση του δικτύου MGSTR αποδείξει ότι Boolean μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση του καρκίνου G1 διαδικασία κυτταρικού κύκλου /S.

Υλικά και Μέθοδοι

Η αποσύνθεση της Ρυθμιστικής Δικτύου

Αφήνω και αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα ενεργοποιημένη γραμμή και ανασταλτική γραμμή. Οι τιμές των και είναι ή, το οποίο αντιπροσωπεύει υπάρχουν ή όχι υπάρχουν, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, μπορεί να ληφθεί μια λογική εξίσωση για κάθε κόμβο από την Εξ. (1):

(2), όταν οι επιχειρησιακές σύμβολα είναι λογική σύμβολα:. Επιπλέον αποτελεί φορέα Ή, πολλαπλασιασμός αντιπροσωπεύει χειριστή ΚΑΙ, και το μπαρ δεν αντιπροσωπεύει

Με τις τέσσερις πιθανές μεταβάσεις του κράτους, eq. (2) μπορεί να αντικατασταθεί από (3), όπου. Η πρώτη και η τρίτη εξισώσεις στην Εξ. (3) μπορεί να μετατραπεί με την εκτέλεση ΔΕΝ στις δύο πλευρές, έτσι

(4) Για κάθε κόμβο, υπάρχουν μεταβάσεις, και ως εκ τούτου υπάρχουν εξισώσεις τότε. Με την χρονική ακολουθία που φαίνεται στον Πίνακα 4, από την Εξ. (4), έχουμε (5) για τον κόμβο 1 (όνομα κόμβου: miR-17-92)? (6) για τον κόμβο 2 (όνομα κόμβου: Myc)? (7) για τον κόμβο 3 (όνομα κόμβου: E2F)? ( 8) για τον κόμβο 4 (όνομα κόμβου: p27)? (9) για τον κόμβο 5 (όνομα κόμβου: pRb)? (10) για τον κόμβο 6 (όνομα κόμβου: Cdk4 /κυκλίνη)? (11) για τον κόμβο όνομα 7 (κόμβος: Cdk2 /κυκλίνη)? (12) για τον κόμβο 8 (όνομα κόμβου:. cdc25A)

Τα δίκτυα σε αυτό το χαρτί συντάχθηκαν με Cytoscape [55], [56] και η δυναμική κατάσταση χώρο γράφημα συντάχθηκε με Pajek [57].

Ευχαριστίες

Σας ευχαριστούμε μέλη στα εργαστήρια της Ya Jia και Ge Shan για την έμπνευση συζητήσεις και χρήσιμες παρατηρήσεις σχετικά με προηγούμενες εκδόσεις του χειρογράφου.