Abstract
Forstå den grunnleggende mekanismen av rom-tid-selvkontroll av genom-wide genekspresjon engasjert med komplekse epigenetisk molekylære montering er en av de store utfordringene i dagens biologiske vitenskap. I denne studien ble den genom brede dynamiske profilen av genuttrykk analysert for MCF-7 brystkreftceller indusert ved hjelp av to forskjellige ErbB-reseptor-ligander: epidermal vekstfaktor (EGF) og heregulin (HRG), som styrer celledeling og differensiering hhv . Vi fokuserte vår oppmerksomhet å belyse hvordan global genetiske svar dukke opp og å tyde hva som er et underliggende prinsipp for dynamisk selvkontroll av genom-wide genuttrykk. Hele mRNA uttrykket ble klassifisert i om lag hundre grupper i henhold til root mean square svingning (
rmsf
). Disse uttrykk gruppene viste karakteristiske tidsavhengige korrelasjoner, hvilket indikerer eksistensen av kollektive oppførsel på ensemblet av gener med hensyn på mRNA-ekspresjon og også til tidsmessige endringer i ekspresjon. Alt-eller-ingen respons ble observert for HRG og EGF (bifasisk statistikk) på rundt 10-20 min. Fremveksten av tidsavhengige kollektive atferd uttrykks skjedd gjennom delinger av en helhetlig uttrykk tilstand (CES). I ensemblet av mRNA uttrykk, avslører selvorganisert Cess distinkte karakteristiske uttrykk domener for bifasisk statistikk, som viser særlig tilstedeværelsen av kritikalitet i uttrykket profil som en rute for genomisk overgang. I tidsavhengige endringer i uttrykket domener, dynamikken i CES viser at tidsmessige utviklingen av de karakteristiske domener er karakterisert som autonom bistabile bryter, som viser dynamisk kritikalitet (tinning utvikling av kritikalitet) i genom sammenhengende uttrykk dynamikk. Det er forventet at klarlegging av biofysiske utstedt en slik kritisk oppførsel belyser den underliggende mekanismen for kontroll av hele genomet
Citation. Tsuchiya M, Hashimoto M, Takenaka Y, Motoike IN, Yoshikawa K (2014 ) Global Genetisk Response i en kreftcelle: selvorganisert Coherent Expression Dynamics. PLoS ONE 9 (5): e97411. doi: 10,1371 /journal.pone.0097411
Redaktør: Dante R. Chialvo, National Scientific and Technical Research Council (CONICET), Argentina
mottatt: 27 januar 2014; Godkjent: 18 april 2014; Publisert: May 15, 2014
Copyright: © 2014 Tsuchiya et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Denne studien ble finansiert av Tsuruoka City, Yamagata prefectural regjeringen, og GCOE program av Keio University, og ble støttet delvis av Grants-in-Aid, KAKENHI (nr. 23240044 og 25103012). Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere
Konkurrerende interesser:. Masa Tsuchiya er en PLoS ONE Editorial styremedlem. Dette endrer ikke forfatternes tilslutning til PLoS ONE redaksjonelle retningslinjer og kriterier.
Innledning
En av de grunnleggende utfordringer i livet vitenskap er å avsløre den grunnleggende mekanismen som ligger til grunn for hvordan genomet regulerer aktivitet av titusener av gener i en selvstendig måte. Den nylige bemerkelsesverdig suksess med IPS-celler ved ektopisk ekspresjon av nøkkeltranskripsjonsfaktorer [1] har åpnet døren ikke bare til mulig manipulering av cellen skjebne til en hvilken som helst celle tilstand ved somatisk genomet omprogrammering, men også for å forstå den genetiske mekanismen for utvikling og sykdom in vitro. Den eukaryote genom (epigenome) definerer en celle tilstand ved å bestemme dynamisk hvilke gener som er aktivert eller arrestert; den cellulære prosessen organiserer svært komplekse molekylære strukturen på gigantiske DNA-molekyler i samarbeid med kjerneproteiner ledsaget av dynamiske epigenetiske modifikasjoner [2]. Men vår nåværende forståelse av grunnleggende spørsmål, for eksempel hvordan kan genomet, som er en svært komplisert molekylær system, selv regulere genom-wide genetisk aktivitet og hva som er det styrende prinsipp som genomet driver celledifferensiering og omprogrammering, er fortsatt i sin barndom.
med hensyn til kontroll av genregulering, har det blitt rapportert at flere hundre eller tusener av gener i en gjærcellekultur er oppregulert i løpet av få minutter i en hurtig og genom-wide transkripsjons- reaksjon [3], [4]; i embryonale pattedyr stamceller, noen viktige transkripsjonsfaktorer (OCT4, Sox2, og Nanog) koordinere uttrykket av tusenvis av gener med epigenetiske modifikasjoner ledsaget av epigenetiske molekyler som kromatin regulatorer [5].
Når vi granske dynamikken i biokjemiske reaksjoner forbundet med genekspresjon, ekspresjon av hvert gen i en populasjon av celler (f.eks, MCF-7 humane cancerceller i denne rapport) bærer stokastisk støy som stammer fra intra- (intrinsic) og inter-cellulær (extrinsic) fremgangsmåter [6] – [12]. Denne stochasticity har konstruktive (korreleres) og ødeleggende effekter (ukorrelerte) på biologiske prosesser, inkludert regulering av genekspresjon. Det finnes to underliggende problemer med å forstå den robuste on /off kontroll av genuttrykk i en celle: støy i stokastisk uttrykk og støy på grunn av heterogenitet celletyper (celle-til-celle variabilitet) i befolkningen
tilstedeværelsen av stokastiske støy (på grunn av den iboende virkningen av et lavt kopiantallet av mRNA fra et gen per celle) foreslår å få til ustabilitet i overflod av genetisk produkt dersom systemet er basert utelukkende på et meget stort antall bestemt nøkkel-lås interaksjoner (dvs. hvis vi ikke inkluderer den molekylære miljø) [13]. I tillegg til støyende lavt kopitall effekt, kan det ikke være nok statistisk antall molekyler innen den lille plass av cellekjernen: nedbryting av sentralgrensesetningen ved binding likevekt mellom nøkkel og lås-molekyler [14] kan øke den stokastiske (destruktiv) virkning som følge av tilfeldige sammenstøt mellom reaktanter (for eksempel RNA-polymerase og DNA) på dynamikken i genekspresjon. Disse indre effekter bør føre til nedbryting av den kollektive ensemble oppførsel av genuttrykk.
Den ytre effekten av celle-til-celle interaksjon kan generere ikke-genetisk heterogenitet (celle-til-celle variasjon generert av det samme settet av gener) [15], [16]. Forskjellige prosesser i ulike celletyper i befolkningen kan forårsake ytterligere ustabilitet i den robuste kontroll av ekspresjonen av et stort antall gener i cellen. I motsetning til en annen rapport antydet at celle-til-celle variasjon er i stor grad et resultat av determinis regulatoriske prosesser, snarere enn stochasticity ved encellede nivå [17]. En fersk teoretisk studie viste at ytre støy spiller en viktig rolle i den heterogeniteten i en populasjon av celler gjennom fenotype veksling i reguleringen av genekspresjon [12]. Ytterligere forskning er nødvendig for å belyse den vesentlige årsaken til heterogenitet i en cellepopulasjon.
Inntil nylig har den mest aksepterte mekanisme for den selvregulering av genekspresjon vært en genetisk nettverk sammensatt av et stort antall av spesifikke interaksjoner, dvs. nøkkel-lock komplekse molekylære interaksjoner; genekspresjon er en dynamisk prosess med pakker DNA fra histon-molekyler og utsette en spesifikk region av dobbelt-trådet DNA for å fremstille mRNA fra DNA-sekvensinformasjon for et bestemt gen for å utføre en spesifikk cellulær prosess. Den svimlende kompleks mobilsystemet som oppstår fra de dynamiske key-lock molekylære interaksjoner med indre og ytre stokastiske miljøer reiser et grunnleggende spørsmål, til tross for den underliggende stokastiske natur og heterogent miljø: Hvordan kan en celle med en liten, kompakt kjerne gir robust kontroll av samordnet genom-wide genekspresjon [13]?
for å takle dette grunnleggende spørsmålet, kan vi ønske å ta hensyn til «støy» av genuttrykk i genomdata gjennom kvantitativ evaluering av stokastiske svingninger å belyse på den skjulte mekanisme av genom-wide global selvregulering. Vi undersøkte hele transkriptomet aktivitet med tanke på hele settet av gener, dvs. ekspresjon av alle gener oppnådd fra mikroarray data, og sorteres alle mRNA-ekspresjon (vanligvis i størrelsesorden flere titalls tusen) i henhold til graden av endringen i tidsmessig uttrykk fra baseline, og dannet grupper av mRNA uttrykk (se Methods). Gjennom denne gruppering av genuttrykk i ulike biologiske prosesser, har vi avdekket emergent-lineære sammenhenger (for eksempel figur 1) [18] – [20]: dvs. globale lineære sammenhenger mellom ensemble (gruppe) gjennomsnitt av tidsmessige endringer i uttrykk og mRNA uttrykk med en økning i
n plakater (se detaljer i File S1). Disse globale korrelasjoner indikerer tilstedeværelse av gjennomsnitts (gjennomsnittlig felt) atferd i store og stokastisk genetisk aktivitet som skjult genom-skala kollektiv atferd. Det er velkjent at eksistensen av midlere felt oppførsel antyder nærvær av en styrende prinsipp i fysisk mange-legeme (for eksempel molekyl) systemer; dermed genetiske gjennomsnittsfelt atferd antyder eksistensen av underliggende prinsipper som «sensed» av genomet som helhet med påfølgende fremveksten av kollektive moduser som omfatter koordinert aktiviteten til tusenvis av gener [Tsuchiya M, Hashimoto M, Tomita M, Yoshikawa K, Giuliani A, «Collective Genome-Wide Expression Modi: Major Roller av Low-Avviks Genes»., upublisert]
overgangen fra spredt uttrykk (første rad;
N
= 22035) til tidsavhengig korrelasjon (andre rad) vises som den kollektive oppførselen til ensemblegrupper: DEAB av A) uttrykket (symbolsk representert ved
ln product: (
ε product: (
t
)); kalt bare «uttrykket «) og B) uttrykket endring (
ln product: (
ε product: (
t
i
) /
ε product: (
t
i
-1))). Bildet viser bifasisk genomiske svar (bifasisk statistikk) til HRG og EGF; tomter enkelt mRNA (
n
= 1; første rad) og en gruppe av gener (
n
= 200; andre rad) for A) uttrykket på
t
= 10 min (svart prikk), 15 min (blå), og 20 min (rød), og b) uttrykket endring fra
t
i
-1 = 10 min til
t
i
= 15 min (blå syklus) og fra
t
i
-1 = 15 min til
t
i
= 20 min (rød), reflekterer OFF-ON bytter ned- til oppregulering). Brak rundt
x, etter
x
, reflektere den enkle aritmetiske gjennomsnittet av
x
i en gruppe (
n
= 200).
den nye bildet av gen-uttrykk regulering kan forklares i form av en svært integrert dynamisk system i en flerdimensjonal faserommet utspent av uttrykket nivåer av hele settet av gener. Spesielt, og med mRNA-arter med svært lave signalintensiteter tillater den globale rekonstruksjon av cellepopulasjonsdynamikk, som i tilfelle av hematopoetiske stamcelledifferensiering [21], som er konsistent med det bilde som stammer fra en analyse av hele transkriptomet, som sterkt antyder nærvær av et sett med begrensninger som gjør at genomet til å virke som et sterkt sammenhengende /samarbeidende system ( «genom feltet» [22]). En lignende profil som ligner på emergent-lineær sammenheng ledsaget av svingninger kan oppstå for distribusjon av single-genuttrykk for celler i kultur når den iboende (ukorrelerte) støy blir lav [6].
I denne rapporten har vi analyserte hele genom ekspresjons dynamikk (22035 prober og 18 tidspunkter; Metoder) som fulgte MCF-7 (human brystkreft) celleproliferasjon og differensiering gjennom aktivering av ErbB-reseptoren ved epidermal vekstfaktor (EGF) og heregulin (HRG), respektivt . HRG induserer celledifferensiering ved å opprettholde ekstracellulære signalregulerte kinase (ERK) aktivitet for å produsere en betydelig fosforylert transkripsjonsfaktor, c-Fos-aktivering, mens EGF stimulerer celleproliferasjon ved å indusere transient ERK-aktivitet med ubetydelig c-Fos induksjon [23]. En bifasisk signale respons i forhold til Erb reseptor signal dynamikk med forskjeller på c-Fos nivå ble belyst [23] – [25]
For å forstå om det er distinkte genomiske responser i forhold til bifasisk signale respons. gjennomførte vi en omfattende analyse av hele genomisk respons for både HRG og EGF ligandaktivering på ErbB-reseptoren av MCF-7 brystkreft celler ved å gruppere gener basert på tidsavhengige endringer i uttrykk. For å belyse hvordan globale genetiske svar dukke opp og videre å tyde hva som er et underliggende prinsipp for dynamisk selvkontroll av genom-wide genekspresjon, vi fokusert på tidsavhengige globale genetiske svar for de første 30 min etter ligandaktivering, som viser bifasisk genomiske svar (bifasisk statistikk) til EGF og HRG.
i de følgende avsnittene, viser vi at de grunnleggende scenario om selvorganisert uttrykk dynamikk gjennom delinger av ensemble av sammenhengende uttrykk avslører hvordan genom-wide uttrykk koordineres annerledes (alt eller ingen) i celleproliferasjon (EGF) og differensiering (HRG). Viktigst, tar vi tilstedeværelsen av kritikalitet som en rute for genomisk overgang og dens dynamisk endring (dynamisk kritikalitet) i kollektive atferd av mRNA uttrykk, som gir oss en tankevekkende innsikt for å forstå hvordan en celle i befolkningen kan utføre robust dynamisk kontroll av genom-wide koordinert genekspresjon for en kort tid, selv i den lille, pakket atom plass. Til slutt, vi diskutere en potensiell biofysisk opprinnelsen kritikalitet fra konforme overgang av genomisk DNA som styrer transkripsjonen aktivitet gjennom en strukturell overgang [26], [27].
Resultater
Globalt Genetisk Response Led av Group Dynamics of Gener: Dynamisk Emergent Midling atferd (DEABs)
Vi har undersøkt hele transkriptomet aktivitet i MCF-7 kreftceller stimulert av HRG-beta og EGF 18 tidspunkter (
t
= 0, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90 [min], 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24, 36, 48,
t
T
= 72 [h]), og regnes som et uttrykk for alle prober (
N
= 22035; Gene Expression Omnibus database ID: GSE13009, se Metoder) er tildelt hvert gen eller åpen leseramme (ORF) i microarray data; vi kaller slike prober «mRNA-ekspresjon «, som omfatter uttrykket av gener, så vel som ekspresjon av varianter av mRNA. To ligander, EGF og HRG, aktivere ErbB familie reseptorer for å produsere forskjellige celle skjebner (celle differensiering og celleproliferasjon, henholdsvis) ved å provosere ulike signalvarigheter som fører til ligand-spesifikke bifasisk produksjon av c-Fos proteiner etter 20 min. EGF provoserer forbigående ERK-aktivering, mens HRG induserer vedvarende ERK-aktivering, forårsaker alt-eller-ingen (dvs. alt for HRG og ingen for EGF) responser av fosforylert transkripsjonsfaktor c-Fos [23], [25].
for å avklare om disse to ligander kan indusere distinkte genomiske aktiviteter ved bedre å forstå transkriptomet uttrykk dynamikk, gruppert vi mRNA uttrykket i henhold til standardavviket tidsavhengig variasjon i uttrykket (
root mean square svingninger
:
rmsf
) for alle probene uten noen filtrering av de opprinnelige data (se Metoder). Som gruppestørrelse (
n
= 1, 100, 200, 300) økt, en ikke-lineær sammenheng dukket opp fra spredt poeng på tidspunktet
t
, der svingningene i grupper fra disse asymptotiske korrelasjoner redusert som gruppering størrelse
n
økt [19]. Dynamisk emergent gjennomsnitt (kollektive) atferd (DEABs) ble lagt merke til i profilen til
rmsf
mot logaritmen av mRNA uttrykk,
rmsf
versus
ln product: (
ε product: (
t
i
)) (Figur 1A) eller
rmsf
mot timelige endringen i logaritmen av mRNA uttrykk,
rmsf
versus
ln product: (
ε product: (
t
i
) /
ε product: (
t
i
-1)) (Figur 1B), hvor brakettene, , betegne ensemble /gruppe gjennomsnitt, og
ε product: (
t
i
) reflekterer mRNA uttrykk ved
t
i
(
i =
0,1,., 17). Heretter, henviser vi til logaritmen av mRNA uttrykk og tidsmessige endringen i logaritmen av mRNA uttrykk som
uttrykket Hotell og
uttrykket endring
hhv.
DEAB av uttrykket
på tidspunktet
t plakater (figur 1A) avslørte en ikke-lineær sammenheng mellom grupper basert på gjennomsnittsverdier av uttrykk og
rmsf
på et fast tidspunkt. Når vi sammenligner DEAB av uttrykket mellom ulike tidspunkter, fremkommer koordinert bevegelse av ensemblet av mRNA uttrykk i henhold til graden (dvs. standardavvik) av sesongmessige svingninger av mRNA uttrykk (dvs.
rmsf
). I figur 1A, DEABs av ekspresjon ved tre tidspunkter (10, 15, og 20 min) viser en klar forskjell mellom EGF og HRG: for EGF induksjon, overlapper de, uten noen tilsynelatende forandring, mens for HRG induksjon, i enkelte grupper (
rmsf
0,42) forskjellige bakker ble sett på tre tidspunkter, og en spesielt skarp endring fra en negativ til en positiv skråning ble sett mellom 15 min og 20 min, mens det var ingen endringer i de andre gruppene (
rmsf
0,42). Derfor, i DEAB av uttrykket, det ser ut til å være dynamiske og statiske ensembler av mRNA uttrykk; en strengere definisjon av uttrykket ensembler er gitt i neste avsnitt.
På den annen side,
DEAB av uttrykket endring
viser en markant endring over tid mellom ulike tidspunkter (figur 1B) indikerer hvilke grupper er opp- eller ned-reguleres på en koordinert måte. Som vist i figur 1B, er en alt-eller-ingen respons også sett i reguleringen av mRNA uttrykk; i EGF-reaksjon, DEABs er nesten lik (dvs. nesten null gjennomsnittlig endring i ekspresjon), mens i HRG respons, for
rmsf
0,42, viser tilsvarende DEAB en markant endring fra nedregulering (10-15 min) til oppregulering (15-20 min). I kontrast DEAB for
rmsf
0,42 endret fra nesten balansert eller oppregulering til nedregulering. Dermed i HRG respons, de dynamiske endringer i DEABs av både uttrykket (figur 1A) og uttrykket endring (figur 1B) var konsekvent for
rmsf
0,42, mens endringer i motsatte retninger ble sett for
rmsf
0,42. Disse tidsmessige endringer i DEAB av uttrykket og uttrykket endringen vil bli behandlet som selvstendige sammenhengende uttrykk dynamikk.
Deretter undersøkte vi frekvensfordelinger av mRNA uttrykket i henhold til DEAB å forstå de biofysiske fenomener som ligger til grunn genekspresjon dynamikk . Profiler som inneholder tusenvis av mRNA kan gi informasjon om de biofysiske lover som ligger til grunn mRNA uttrykk dynamikk, som Gauss fordeling for Brownske dynamikk og kraft-loven oppførsel for skala-fri interaksjon. Videre er endringene i profilene, for eksempel en endring fra unimodal til bimodal, kan avsløre noen kritiske fenomener [28] -. [30]
I figur 2, frekvenshistogrammene i uttrykket (15-20 min) endring fra en unimodalt (
rmsf
0,42) til bimodal fordeling (
rmsf
0,42) for både EGF og HRG ensemblegrupper. Interessant, i HRG respons, frekvensfordelingene for
rmsf
0,42 mellom 15 min og 20 min ikke overlapper; profilen er deformert med et skifte i toppen fra
ln product: (
ε product: (15 min)) = 1,8 til
ln product: (
ε product: ( 20 min)) = 2, som kalles
unimodalt skift
. Ellers frekvensfordelingene på 15 min og 20 min nesten overlapper hverandre.
profiler av frekvensfordeling av uttrykket (
ln product: (
ε plakater (
t
))) fra 15 min til 20 min endring fra unimodalt til bimodal for A) med høy varians uttrykk (root mean square svingninger,
rmsf
0,42) og B) med lav varians uttrykket (
rmsf
0,42). Første rad: den HRG respons for
rmsf
0,42 viser en topp-shift av unimodale profiler fra
t =
15 min (blå histogram) til
t
= 20 min (rød) med en endring i den lavere til høyere verdi av uttrykket, mens binomial frekvensfordelte 15 min (blå polygonal linje) og 20 min (rød histogram) nesten helt overlapper hverandre for
rmsf
0,42. Andre rad: EGF svaret viser nesten perfekt overlapping av profiler for både unimodalt (
rmsf
0,42) og bimodal (
rmsf
0,42) distribusjoner, noe som antyder at det er ingen tidsmessig respons i snitt, i samsvar med DEAB av uttrykket for EGF-respons (figur 1A). For alle histogrammer i denne rapporten, er bin størrelse satt til 0,05.
DEABs viste genom-wide dynamiske korrelasjoner for både uttrykket og uttrykket endring. Resultatene av hele transkriptomet analyse tyder på nærvær av et sett med begrensninger som gjør at genomet til å fungere som en sammenhengende /koordinert system. Vi vil nå vurdere den biofysiske betydningen av dynamisk bevegelse av DEABs av uttrykket som er ledsaget av en endring fra en unimodalt til en bimodal frekvensfordeling
brer Coherent Expression statene i DEAB av Expression. Karakteristisk Expression domener Avdekket
for å forstå hvordan en global respons dukker opp og deretter å belyse dens underliggende prinsipp, må vi forstå hvordan genuttrykk er selvorganisert på et genom-wide skala. Vi brukte en tetthet analyse for å visualisere dynamikken i opp- eller ned-regulering mellom forskjellige tidspunkter. En tetthet analyse av den gruppering av støyende gen-ekspresjons-profiler har vist seg å være robust [31]. Vi søkte en Gaussian kernel som en tetthet analyse på plass spredt av uttrykket versus endring i uttrykket ( «regulatorisk space»). Siden den mest dramatiske respons ble observert mellom 15 min og 20 min, i denne delen vi fokus på å analysere dynamikken i mRNA-ekspresjon i DEABs av ekspresjon fra 15 til 20 min.
Gitt et uttrykk verdi ved tidspunktet
t product: (
t
= 15 min eller 20 min), viser tilsyns plass om mRNA uttrykk ved
t
er oppregulert, nedregulert, eller balansert under denne perioden. Interessant, hvis vi vurdere sannsynlighetstetthetsfunksjonen (PDF) for den regulatoriske plass og ta sannsynlighetstettheten på z-aksen, viser pseudo-3-dimensjonal-plot hill-lignende funksjoner for å avsløre tettheten liggende ( «genetisk landskapet» ) av uttrykket dynamikk (figur 3). I HRG reaksjon, er det to bakke-lignende funksjoner ved hvert tidspunkt; hvis vi sammenligne med de genetiske landskapet mellom 15 min og 20 min, ser vi tre uavhengige hill-lignende funksjoner for
rmsf
0,42 (
n
= 3269 mRNA): to distinkte hill-lignende funksjoner for hvert tidspunkt og en som resulterer fra overlappingen av to timelig (nesten) invariant hill-lignende funksjoner. I motsetning til i EGF respons (
rmsf
0,42;
n
= 1482), en enkelt bakke-lignende funksjon viser ikke en tilsynelatende tidsmessig endring. Dermed opp- eller nedregulert mRNA uttrykk danne opp- eller nedregulert åsene på landskapet og deres dynamiske endringer reflektere sammenhengende uttrykk oppførselen til tusenvis av mRNA; en bakke-lignende funksjon på den genetiske landskapet anses å være et sammenhengende uttrykk tilstand (CES). For ytterligere å bekrefte eksistensen av CES, analyserte vi den dynamiske bevegelse av Cess (neste avsnitt)
Tomter av single mRNA uttrykk for
rmsf
0,42 (blå prikk. 15 min og red dot: 20 min) er lagt i panelet til venstre (første rad: 3269 uttrykk for HRG, andre rad: 1482 for EGF). I panelet til høyre, sannsynlighetstetthetsfunksjonen (PDF) ved hjelp av en gaussisk kjerne av Mathematica 9 (standardinnstilling) for hvert punkt (venstre panel) avslører hill-lignende funksjoner i pseudo-tre-dimensjonale rommet (genetisk landskapet, z-aksen: sannsynlighetstetthet). Overliggende genetiske landskapet mellom
t
i-
1 = 15 min og
t
i
= 20 min – første rad: den HRG responsen har tre Cess ; to uavhengige Cess pluss en CES at resultatene fra overlappingen av sessen mellom 15 min (mørkere farge) og 20 min (lysere farge) rundt et null endring i uttrykket på y-aksen; andre rad: EGF responsen har et enkelt CES som overlapping av to sessen rundt null endring i uttrykket. Legenden viser en lysere (mørkere) farge bar på 20 min (15 min) for PDF.
Vi undersøkte dannelsen av en CES i DEAB av uttrykket i form av inkrementell endring i en segmentet med en viss rekkevidde av
rmsf product: (
v
rmsf
v
+
r
), hvor området
r
er satt til 0,4, slik at den inkluderer uttrykket av tusenvis av mRNA, og
v
er en variabel av
rmsf
. I figur 4 er de tre segmentene
rmsf
for HRG responsen beskrive begynnende delinger av CES i perioden 15-20 min, hvor en ny CES splittnagler på segmentet rundt 0,21
rmsf
0,61. En tilsvarende utbruddet av delinger av CES i segmentet rundt 0,16
rmsf
0,56 ble observert i EGF respons (data ikke vist). Forgreningen diagrammer over sessen som en funksjon av
v
mot mRNA ekspresjon (
forgreningen diagrammet i uttrykket
) eller endringen i uttrykket (
forgreningen diagrammet i uttrykket endringen
) ble oppnådd ved å spore posisjonene til toppene av Cess (figur 5). Cess er funksjoner av ekspresjonsnivået og ekspresjon aktivitet. Legg merke til at plasseringen av en bakketopp kan avhenge av valg av kjernen tetthet, men delinger eiendommen endres ikke i DEAB.
Utbruddet av delinger av en ny CES som veksten av en bakke-lignende funksjon er vist. I den første raden, profilen av frekvensfordeling av uttrykk endrer seg fra unimodalt (0,26
rmsf
0,66, venstre) til bimodal (0,17
rmsf
0,57; høyre) gjennom en utflatet unimodalt profil (0,22
rmsf
0,62, senter). Den genetiske landskapet (andre rad) for 15-20 min for hver region av
rmsf
illustrerer at utbruddet av delinger av CES forvandles fra en unimodalt til bimodal profil; den røde pilen (andre rad) peker på dannelsen av CES og de blå pilen peker på dannelsen av en dal, som gir opphav til en lav-uttrykk tilstand (LES). Toppene i bimodal frekvensfordelingen sammenfalle med den høyeste tettheten av Cess på rundt
ln product: (
ε
)
=
1,7 og 2,2 (svart stiplede linjer).
bifurcations av Cess i DEAB av uttrykket for 15-20 min blir undersøkt med en trinnvis endring i et segment,
v
rmsf
v
+
r, etter som en forlengelse av figur 4, hvor utvalget
r
er satt til 0,4 og
v
er en variabel av
rmsf
. Bifurkasjonen diagrammer av uttrykket (
v
mot uttrykk, første rad) ved
t
= 20 min, og uttrykket endring (
v
mot endring i uttrykk for 15-20 min, andre rad) er plottet for HRG (venstre panel) og EGF (til høyre). Den delinger diagram av uttrykket definerer uttrykket nivået på
ln product: (
ε
) = 2,075 (nedre: lav- og øvre: high-uttrykk) på grunn av eksistensen av en dal, som skiller lav og høy cess (figur 6), mens forgreningen diagram av uttrykket endringen viser tre aktivitetsnivåer CES: pÅ (positiv endring i ekspresjon), EQ (nær null) og aV (negativ endring i ekspresjon). Bifurkasjon diagrammer viser klart distinkte karakteristiske uttrykk domener mellom HRG og EGF: statisk, transitt og dynamiske domener for
rmsf
0,21, 0,21
rmsf
0,42, og 0,42
rmsf
for HRG, og statiske og transitt domener for
rmsf
0,16 og 0,16
rmsf
for EGF (se detaljer i hovedteksten).
Med hensyn til uttrykket nivå, eksistensen av en dal i landskapet mellom to åser av CES skiller uttrykket nivåer i høyt og lavt på
ln product: (
ε
) = 2,075 for begge HRG og EGF (figur 5 og 6). Dessuten, en bifurcation i lovgivningen for avdekket at CES besitter tre uttrykk aktiviteter mellom 15 min og 20 min: oppregulert, nedregulert og likevekt. Opp- og ned-regelverk kan anses å være PÅ og aktivitetsnivå i forhold til likevekt (EQ) regulering, hvor satsene for mRNA produksjon og nedbrytning er nesten balansert. Interessant, i EGF genomiske reaksjon, alle av de sessen er på EQ nivå (fig 5)
Hver rad (A: HRG og B: EGF). Korresponderer med frekvensfordelinger av mRNA-ekspresjon (første) og genetiske landskap (andre: fra siden). I den genetiske landskapet, er en statisk domene med en dal preget av to Cess: A) HES1 (EQ) og LES1 (OFF) for
rmsf
0,21; og B) HMS (EQ) og les (EQ) for
rmsf
0,16, en transitt domenet er preget av A) HES1 (EQ) for 0,21
rmsf
0,42; og B) HMS (EQ) for
rmsf
0,16, og en dynamisk domenenavn er preget av tre Cess: A) LES2 (ON), HES2 (ON) og HES1 (EQ) for
rmsf
0,42, som er et resultat av overlagring av de genetiske landskapet mellom 15 min og 20 min (høyre panel i den andre rad); en tilstand forskyvning oppstår fra LES2 (ON) ved 15 min til HES2 (ON) ved 20 min, i samsvar med unimodal forskyvning av frekvensfordeling (A: første rad). Den røde pilen peker til dalen for å skille lav og høy Cess. Aktivitetsnivået i en helhetlig uttrykk tilstand (ON, EQ og OFF) refererer til figur 5.
Viktigst, deli diagrammer (figur 5) i perioden 15-20 min viser tydelig forskjellene mellom HRG og EGF genomiske svar; de tre karakteristiske domener i HRG responsen kan kategoriseres som i)
statisk domene product: (
n
= 9059):
rmsf
0,21 med to high-uttrykk stater (HES1 (EQ) og HES2 (ON), ii)
transitt domene product: (
n
= 9707): 0,21
rmsf
0,42 med en høy-uttrykk tilstand (HES1 (EQ)), og iii)
dynamisk domene product: (
n
= 3269):
rmsf
0,42 med høy og lav uttrykk stater (HES1 (EQ) og LES1 (AV)). I kontrast, ikke EG respons ikke viser en dynamisk domene og bare to domener er til stede: i)
statisk domene product: (
n
= 7091):
rmsf
0,16 med HMS (EQ) og les (EQ), og ii)
transitt domene product: (
n
= 14944): 0,16
