Abstract
Androgen ablasjon terapi er for tiden den primære behandling for metastatisk prostatakreft. Dessverre, i nesten alle tilfeller, mislykkes androgen ablasjon til permanent arrestere kreft progresjon. Som androgener som testosteron er trukket tilbake, prostata kreft celler mister sin androgen følsomhet og begynne å spre seg uten hormon vekstfaktorer. I denne studien vi konstruert og analysert en matematisk modell av integrasjon mellom hormonet growth factor signalisering, androgen reseptoraktivering, og ekspresjonen av cyclin D og prostata-spesifikt antigen i humane LNCaP prostata adenokarsinomceller. Målet med studien var å undersøke hvilke signalanlegg var viktig i tap av androgen avhengighet. Modellen ble formulert som et sett av ordinære differensialligninger som beskrevet 212 arter og 384 interaksjon, herunder både mRNA og proteinnivåene for viktige arter. Et ensemble tilnærmingen ble valgt til å begrense modellparametere og for å anslå effekten av parametrisk usikkerhet på modellprediksjoner. Modellparametere ble identifisert ved hjelp av 14 steady-state og dynamiske LNCaP datasett hentet fra kilder i litteraturen. Endringer i frekvensen av Prostatic sur-fosfatase-ekspresjon var tilstrekkelig til å fange varierende grad av androgen avhengighet. Analyse av modellen gitt innsikt i betydningen av nettverkskomponentene som en funksjon av androgen avhengighet. Betydningen av androgen receptor tilgjengelighet og MAPK /Akt signale akser var uavhengig av androgen status. Interessant, androgen reseptor tilgjengelighet var viktig selv i androgen-uavhengig LNCaP celler. Oversettelse ble stadig mer viktig i androgen-uavhengig LNCaP-celler. Videre analyser antydet en positiv synergi mellom MAPK og Akt signal akser og oversettelsen av sentrale proliferative markører som cyclin D i androgen-uavhengig celler. Til sammen resultatene støtter målretting av både Akt og MAPK veier. Videre analysen antydet at direkte målretting av translasjonsforskning maskiner, spesielt eIF4E, kan være effektiv i androgen-uavhengig prostatakreft
Citation. Tasseff R, Nayak S, Salim S, Kaushik P, Rizvi N, Varner JD (2010) Analyse av molekylær Networks i androgen avhengig og uavhengig prostatakreft avslørt Skjøre og Robust delsystemer. PLoS ONE 5 (1): e8864. doi: 10,1371 /journal.pone.0008864
Redaktør: Kumar Selvarajoo, Keio University, Japan
mottatt: 08.09.2009; Godkjent: 22 desember 2009; Publisert: 28 januar 2010
Copyright: © 2010 Tasseff 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:. Forfatterne erkjenne generøs økonomisk støtte fra Office of Naval Research (# N000140610293) til JDV, støtte fra SN og nådig økonomisk støtte av RT av en National Science Foundation IGERT lineære systemer Fellowship. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Prostatakreft er den vanligste kreftformen hos menn og den nest største årsaken til kreft-relaterte dødsfall i USA [1]. Det har vært kjent siden 1940-tallet at androgener, for eksempel testosteron, er nødvendig for vekst av prostatakreft [2]. Følgelig androgen ablasjon i kombinasjon med stråling eller kjemoterapi tradisjonelle forblir den primære ikke-kirurgisk behandling for androgen-avhengig prostata kreft. Androgen ablasjon fører i første omgang til redusert tumorvekst og redusert sekresjon av biomarkører som prostata spesifikt antigen (PSA) [3] – [5]. Men i nesten alle tilfeller androgen ablasjon unnlater å permanent arrestere kreft progresjon. Som testosteron er trukket tilbake, funksjonsfeil prostataceller mister sin følsomhet for androgen og begynne å spre seg uten hormon vekstfaktor signaler. Disse testosteron ufølsomme celler kan da føre til androgen uavhengig prostatakreft (aipc) [6]. Den aipc fenotypen er nært knyttet til metastase og redusert overlevelse. Dessverre har dagens behandlinger for metastatisk aipc demonstrert bare beskjedne overlevelse fordeler [7]. Således vil en effektiv therepy for metastatisk aipc representerer en udekket medisinsk behov og et ideelt mål for systembiologi.
aipc er karakterisert ved androgen virkning i fravær av androgen stimulering. I kjernen av androgen virkning er regulering av androgen reseptor (AR) av hormoner slik som testosteron. AR er et cytosolisk steroid hormon reseptorer som tilhører superfamilien av ligand aktiverte transkripsjonsfaktorer. Andre medlemmer av denne familien omfatter Vitamin A /D, østrogen, progesteron og thyroid hormon-reseptorer [8], [9]. Hos friske prostata epitelceller, androgener aktivere AR og drive en AR-avhengig genekspresjon program. Seksuelle androgener som testosteron vanligvis sirkulerer i blodet, bundet til proteiner som sex hormone binding globulin (SHBG) protein. Gratis testosteron går prostata celler hvor 5-reduktase enzymet omdanner det til aktivert dihydrotestosteron (DHT) [10]. Både cytosolisk testosteron og DHT kan binde AR imidlertid DHT har en høyere affinitet for AR. Binding av DHT for AR fremmer cytosolisk AR aktivering og translokasjon av aktivert AR til kjernen. Nuclear AR driver ekspresjonen av målgener inkludert PSA ved binding til AR-responsive promotorelementene [11], [12]. På grunn av sin ligand avhengighet, vil man forvente AR aktivering og AR-drevet genekspresjon å være fraværende uten hormonstimulering. Imidlertid aipc har ofte høyere PSA ekspresjon og øket celle-proliferasjon i forhold til sin androgen-avhengige motstykke til og med uten stimulering [13], [14].
aipc økte proliferasjon og PSA sekresjon i fravær av androgen antyder en svikt i regulering av androgen reseptoraktivering. Feldman og Feldman anmeldt flere mulige AR regulatoriske trasé kanskje er ansvarlige for androgen action i fravær av hormonstimulering [15]. En hypotese, referert til som den overfølsomhet vei, antyder at AR kan være mer følsomme for androgen i aipc. Dette ville tillate AR aktivering og AR-genekspresjon drives ved mye lavere nivåer av testosteron ekstracellulære signaler. En annen hypotese, referert til som promiskuøse vei, antyder at AR kan aktiveres ved ikke-androgen antagonister. En tredje hypotese, undersøkt her, antyder at AR kan aktiveres av andre veier, for eksempel Mitogen aktivert proteinkinase (MAPK) kaskade. Flere studier støtter denne cross-talk hypotese, noen ganger referert til som fredløs veien. Culig
et al.
Viste i DU-145 humane prostatatumorceller som vekstfaktorer f.eks IGF-I, KGF, og EGF kunne drive AR aktivering uten androgen [16]. Nazareth og Weigel viste i human prostata PC-3-celler som AR kan også bli aktivert av proteinkinase A aktivator, forskolin i fravær av androgen [17]. Andre studier har antydet en sammenheng mellom indusert Her2 aktivering av den primære MAPK kaskade og AR-aktivering [18]. For eksempel ble Her2 overekspresjon positivt korrelert med redusert følsomhet for androgen ablasjon, økt AR avhengig PSA uttrykk, økt AR aktivering, økte svulstmassen, og forkortet ventetid tumor [14], [18] – [20]. Dermed vil man forvente regulatorer av Her2 aktivering, for eksempel ulike former av 100 kDa glykoprotein prostata Acid fosfatase (PAcP), kan være viktige faktorer i androgen avhengighet og tumor grad [21] – [26]. Intracellulær PAcP (cPAcP) som uttrykk er AR responsive, nedregulerer Her2 av defosforylering. På den andre hadde, skilles PAcP (sPAcP) fremmer beskjeden Her2 aktivering av en ukjent mekanisme [26].
Resultater
Formålet med denne studien var å finne ut hvilke signal komponentene var viktig i AI versus AD LNCaP celler. Mot dette målet, vi konstruert og analysert en mekanistisk matematisk modell av androgen responsen av tre forskjellige LNCaP prostata adenokarsinom sub-linjer. Vi undersøkte MAPK-avhengige fredløs aktivering av AR i AD (C-33), mellomtoner (C-51) og AI (C-81) LNCaP celler [13], [27]. Vårt nettverk modell inkludert: atom hormon og transvekstfaktor reseptor aktivering; transkripsjonen aktivitet via MAPK subsystem [28] – [30] sammen med fredløs aktivering av AR via MAPK [15], [18]; PI3K /AKT /TOR mediert translasjonsinitiering [31], [32]; den transkripsjonelle og translasjonelle regulering av PSA, cyklin D og PAcP uttrykk [14], [20]; og regulering av Her2 aktivitet ved PAcP [26] (fig. 1). Nettverket beskrevet 212 arter og 384 interaksjoner (Tabell S1). Transkripsjon og oversettelse ble modellert ved hjelp av elementære reaksjoner basert på litteratur (supplerende materialer). Konstituerende og regulert uttrykk for PSA, cyclin D og de to formene for PAcP ble vurdert i modellen.
total
nivået på alle andre modell proteiner var konstant. Vi modellert de molekylære interaksjoner som bruker masse action-kinetiske prosesser innenfor en ordinær differensialligning (ODE) rammeverk. Oder er en vanlig metode for modellering av biologiske mekanismer og har vært brukt til å modellere en rekke signaloverføringsprosessene [29], [33] – [41]. Massevirkningskinetikken er også blitt brukt i stor utstrekning, for eksempel for å modellere reseptor-tyrosin-kinase signalering [41], blodkoagulering [39], smerte nettverk [40] eller Toll-reseptoren som signalerings [42], [43]. De har også vært en viktig del i suksessen forstyrrelse-respons tilnærminger som har vist at enkle lineære regler ofte styre responsen oppførselen til biologiske nettverk [44]. ODE modellen var deterministisk og fanget bare befolkningen i gjennomsnitt atferd. Mens vi antok romlige homogenitet, vi differensiert mellom cytosol og membran lokalisert prosesser. Vi brukte masse handling kinetikk for å beskrive graden av hvert molekylær interaksjon. Dermed blir 384 kinetiske modellparametrene var hovedsakelig forening, dissosiasjon eller katalytiske hastighetskonstanter. Med ett unntak, ble modell parametere estimert og validert ved hjelp av LNCaP treningsdata hentet fra kilder i litteraturen (Tabell S2). Men vi var ikke i stand til å anslå unike modellparametere. I stedet har vi anslått en familie eller
ensemble
parametere som var i overensstemmelse med treningsdata. Ensemblet tillatt oss å estimere modellen usikkerhet knyttet til de mange dårlig preget parametere. Vi analyserte modellen ensemble for å bedre forstå hvilke arkitektoniske elementer var viktig i androgen avhengige versus uavhengighet celler.
Modellen arkitektur ble formulert ved å samle molekylære moduler i et enkelt nettverk (se innsats for høyt nivå detaljer). Modellen beskriver vekstfaktor og hormoninduserte ekspresjon av cyclin D, PSA, og de to former for PAcP. Den fullstendige listen over molekylære interaksjoner som utgjør modellen (sammen med kinetiske parameterverdier) er gitt i tabell S1.
estimere ensemble i prostata modellparametere
signaltransduksjon modeller viser ofte kompleks oppførsel [45] – [48]. Det er ofte ikke mulig å identifisere modellparametre, selv med store treningsdata [49]. Derfor, til tross identifikasjons standarder [50] og integrering av modellen identifikasjon med eksperimentell design [51], forblir parameterestimering utfordrende. I denne studien en
ensemble
av plausible modellparametere ble estimert fra AI og AD LNCaP under kloner. Ensemble tilnærminger har blitt adressert usikkerhet i systembiologi og andre felt som været prediksjon [40], [52] – [55]. Deres sentrale verdi er evnen til å begrense modellprediksjoner til tross for usikkerhet. For eksempel, Sethna og medarbeidere viste i en modell av vekstfaktor signalisere at prediksjoner var mulig å bruke ensemble til tross for ufullstendig parameterinformasjon (noen ganger kun størrelsesorden estimater) [46]. De viste videre at modellensembler var logisk å bruke mange ulike matematiske modeller [56].
420 ukjente modellparametere (384 kinetiske konstanter og 36 ikke-null startbetingelsene) ble estimert ved hjelp av 14 tidsserier og steady statlige opplæring sett hentet fra kilder i litteraturen (Tabell S2). Parameteren identifikasjon prosedyre som brukes maksimalt sannsynlighet random-walk strategi med en korrelasjon begrensning for å identifisere en mangfoldig familie av sannsynlige parametersett (Fig. 2C). Vi ga 3210 mulig parametersett og valgt 107 av disse for inkludering i den endelige ensemble. Utvalget ble gjort for å minimalisere sammenhengen mellom mulige sett (materialer og metoder). Flertallet av parametere hadde en variasjonskoeffisient (CV) som er større enn 100%. Således, selv om modellen kvalitativt rekapitulert treningsdataene, mange av parameterne ble dårlig bundet (fig. 2B). Men parametere involvert med viktige funksjoner som cyclin-D og PSA uttrykk var relativt godt begrenset (CV50%). Den lave avvik fra disse parameterne kan tilskrives overflod av PSA /cyklin D treningsdata. Alternativt kan det tyde på at disse mekanismene hadde en stor innvirkning på modell oppførsel. En enkelt nettverksstruktur beskrevet både Androgen Dependent (AD) og Androgen Independent (AI) treningsdata med bare to eksperimentelt begrunnede parameterendringer. Parametrene som kontrollerer ekspresjonen frekvensen av cellulær PAcP (cPAcP) og utskilt PAcP (sPAcP) ble redusert med en faktor på 0,01 og 0,5, respektivt, for de C-81 og C-51 cellelinjer sammenlignet med C-33 (fig. 2A). De PAcP uttrykk skalering faktorer ble valgt til å korrespondere med målte steady-state PAcP uttrykk forhold for de ulike cellelinjer [57]. De kinetiske parametre og ikke-null-startbetingelser for C-33 er gitt i tabell S1 og Tabell S3, henholdsvis
A:. Steady state PSA-nivå som en funksjon av cPAcP og sPAcP uttrykk. Sirklene representerer de verdiene som brukes til å modellere C-51 og C-81 LNCaP kloner. Alle verdier er i forhold til C-33. B: variasjonskoeffisient (CV, standardavvik av en parameter i forhold til dets middelverdi) for parameteren ensemble brukt i denne studien. En liten CV foreslo en parameter var tett begrenset av treningsdata som brukes for modell identifikasjon. Parametrene med de tre minste CV er oppført. C: Parameter identifikasjon strategi. Flere Monte-Carlo baner ble brukt til tilfeldig utforske parameter plass. Simuleringen feil og korrelasjonen mellom parametersett ble brukt til å generere familien av parametersett som brukes i simuleringen studien.
The Ensemble of AI /AD LNCaP Modeller rekapitulert androgen action og aktivitet av Outlaw pathway
AR kan aktiveres av både hormonavhengig og uavhengige retninger. I denne studien, vurderte vi både det tradisjonelle hormonavhengig og MAPK mediert AR aktivering. Vi valgte trening datasett for å begrense hver modus av AR aktivisering og den påfølgende AR-drevet genekspresjon program. Dataene fra Lee
et al.
, Ble brukt til å begrense forholdet mellom Ptil uttrykk og AR aktivering i AI og AD celler [14]. Aktivert AR ble modellert som både en transkripsjonen aktivator av PSA uttrykk [58] og en transkripsjons represser av PAcP uttrykk [20]. Modellen rekapitulert de kvalitative trekk ved PSA-ekspresjon på proteinnivået til C-81 og C-33 (fig. 3B). I tillegg er det basale og øket nivå av PSA mRNA følgende Her2 overekspresjon i C-33 ble også godt beskrevet (fig. 4). PSA-mRNA data ble tatt fra en separat studie LNCaP [18]. Den C-33 simuleringer rekapitulert den observerte lavere PSA uttrykket (4 ganger) sammenlignet C-81 i fravær av androgen (fig. 3B, startpunktet). Etter DHT stimulering (10 nM ved t = 1 time) PSA uttrykk økte for begge kloner. Men var økningen større betydning for C-33 (Fig. 3B). Studiet av Meng
et al.
Ble brukt til å begrense forholdet mellom AR aktivering og PAcP uttrykk [20]. Tilsetningen av DHT til C-33-celler ble redusert PAcP ekspresjon og øket Her2 fosforylering (figur 3A).
A:. Her2 phosphoralation (sirkler) og cPAcP uttrykket (firkanter) for C-33-celler etter tilsetning av DHT. Eksperimentelle data gjengitt fra Meng
et al.
[20]. B: PSA uttrykk etter tilsetning av DHT til C-81 (firkanter) og C-33 (sirkler) LNCaP kloner. Eksperimentelle data gjengitt fra Lee
et al.
[14]. Det skraverte området på hver tomt betegner ett standardavvik sentrert om ensemblet gjennomsnittet (linje).
økt forekomst av HER2 ble modellert som en 50% økning i uttrykket frekvensen av Her2. Barer betegne den gjennomsnittlige PSA mRNA nivå over parameter ensemble mens feilfelt betegne en ensemble standardavvik. Den eksperimentelle PSA mRNA data ble tilpasset (plottet) fra [18].
Modellen rekapitulert de positive tilbakemeldingene mellom Her2 indusert MAPK-aktivering og androgen action. Flere studier har vist at MAPK kan aktivere AR i fravær av hormonstimulering. Aktivert AR transcriptionally nedregulerer cPAcP uttrykk som igjen øker Her2 aktivering. Begge Her2 dimerisering i tillegg til den tradisjonelle EGFR-vekstfaktor reaksjonsvei kan aktivere MAPK, noe som fører til en positiv tilbakekoplingssløyfe. Men det er typisk vekstfaktor indusert MAPK aktivering forbigående, mens de-regulert Her2 indusert MAPK aktivering er vedvarende. MAPK-modulen i modellen beskrevet begge aktiveringsveier. Vekstfaktor avhengig MAPK aktivering ble begrenset av dynamiske målinger av fosforylerte ERK (ERKpp) nivåer etter stimulering av EGFR med 8 nM EGF (Fig. 5D). EGF-induserte ERKpp data ble tatt fra HeLa-celler [30]. Vi forventer imidlertid forbigående EGF-indusert MAPK aktivering i LNCaP cellene vil være kvalitativt lik HeLa gitt den konserverte natur mitogen signalisering. Vi begrenset Her2 indusert MAPK aktivering ved hjelp av cyclin D protein expression data i C-33 og C-81 celler uten androgen følgende PAcP uttrykk (Fig. 5C). Cyclin D ekspresjon ble koblet til ERK gjennom ETS og AP1 transkripsjonsfaktorer, som begge aktiverer cyklin D uttrykk [59]. HER2 indusert MAPK aktivering førte til et vedvarende ETSp signal i forhold til ETS aktivering følgende EGFR-indusert MAPK aktivering (fig. 5D, innfelt). Nominelt, C-33-celler har lavere cyklin D uttrykk i forhold til C-81 (fig. 5C, kolonne 1 og 4). Forskjellen i cyklin D ekspresjon mellom C-33 og C-81-celler var kvalitativt konsistente med økt C-81 proliferasjon [13]. Selv om ekspresjonen av cPAcP i C-81 redusert cyklin D-nivåer (fig. 5C, kolonne 2), sPAcP ekspresjon ga ingen endring (fig. 5C, spor 3). Videre er modellen
spådd
en doseavhengig økning i C-33 cyklin D-nivå 24 timer etter tilsetning av DHT (Fig. 6A). Selv om cyclin D økningen er bare bemerkelsesverdig i respons til høye nivåer av DHT (10 eller 100 nM) prediksjon er kvalitativt konsistente med eksperimentelle data
ikke anbefale med i ensemblet beregningene [60].
A: Effekt av HER2 og MEK overekspresjon på LNCaP C-33 steady state PSA nivåer. Inhiberingen av MEK-blokker effekten HER2 overekspresjon. Eksperimentelle data tilpasset fra Lee
et al.
[14]. B: Effekt av HER2 og MEK hemming på LNCaP C-33 steady state PSA nivåer. Hemming av enten HER2 eller MEK blokkerer høye aipc PSA nivåer. Eksperimentelle data tilpasset fra Lee
et al.
[14]. C: Effekt av PAcP isoformer på LNCaP steady state cyclin D-nivåer. Eksperimentelle data tilpasset fra Lingappa og medarbeidere (Prosetta Corporation, upubliserte data). D: Transient aktivering av ERK via ligand avhengig EGF signalering (8 nM EGF ved t = 60s) i HeLa-celler. Den HeLa data ble gjengitt fra [30]. Innfelt: Simulerte fosforylerte ETS (ETSp) nivåer etter tilsetning av 8 nM EGF i nærvær og fravær av Her2. HER2 aktivering driver en vedvarende MAPK signal som vekker vedvarende ETS aktivering. Det skraverte området betegner ett standardavvik sentrert om ensemblet gjennomsnittet (linje).
En Ensemble prediksjon av cyclin D uttrykket etter tilsetting av DHT på en time til C-33 kloner. Ensemblet spådd en doseavhengig økning av cyclin D ved 24 timer etter tilsetning DHT. Eksperimentelle data ble tilpasset fra Barnes-Ellerbe
et al.
[60]. B Forutsagt virkning av en AR-knockdown på PSA uttrykk etter tilsetning av androgen i en time til C-33 villtype og C-33 AR knock-down kloner. Ensemblet spådd en omtrentlig 50% reduksjon i androgen stimulert PSA uttrykk på grunn av AR knock-down 72 timer etter behandling. Eksperimentelle data ble rapportert av Eder
et al.
[61]. Feilen bar betegner ett standardavvik sentrert om ensemblet gjennomsnittet.
For ytterligere å begrense forholdet mellom MAPK, Her2 og AR aktivisering, vi brukte HER2 forstyrrelse studiet av Lee
et al.
[14] i ensemblet beregningene. Fordi perturbasjonsteknikker størrelsene ikke ble rapportert, antok vi 50% for alle endringer. Der det er mulig, ble denne antakelsen validert ved å analysere de tilsvarende vestlige blotter ved å GelEval programvarepakke (v1.22, Frog Dance Software). Den 50% perturbasjon størrelsen var tilnærmet i samsvar med de publiserte blots. En 50% økning i Her2 førte til en tilnærmet 50% økning i PSA-ekspresjon i C-33 uten androgen (Fig. 5A, felt 1 og 3). Mens en 50% reduksjon i Her2 i C-81 førte til en tilsvarende reduksjon i PSA-sekresjon (fig. 5B, felt 1 og 2). Ytterligere forstyrrelse av Her2 effektivt blokkert PSA ekspresjon i C-81 uten androgen (fig. 5B, felt 3). En 50% reduksjon av MEK, en av de tre primære proteinkinaser i MAPK, resulterte i redusert PSA ekspresjon i C-81 (fig. 5B, spor 4). Mens en 50% økning av MEK i C-33 økte PSA ekspresjon av 5-fold (Fig. 5A, spor 2). Kombinasjonen av MEK-inhibering og Her2 aktivering (50% økning i Her2 og en 50% reduksjon i MEK) ble redusert PSA ekspresjon i C-33 (fig. 5A, spor 4). Videre modellen
spådd
en økning i C-33 PSA nivåer 72 timer etter en 2 nM tillegg av androgen testosteron. Simuleringer utført med 10% av den initiale tilstand AR spådd en tilnærmet 50% reduksjon av testosteronstimulert PSA (fig. 6B). De reduserte PSA nivåer er i samsvar med rapporterte eksperimentelle data på AR antisensprimere knock-downs i androgen avhengige LNCaP celler [61]. Denne informasjonen var
ikke anbefale med i ensemble beregningene. Til sammen modellen replikert kvalitative trekk ved forholdet mellom MAPK, AR aktivering og androgen action. I tillegg kvalitativ avtalen mellom modell og eksperimenter for PSA og cyclin D uttrykk antydet at transkripsjon og oversettelse subsystem modellene ble fungerer riktig.
Følsomhet og robust analyse avslørt Nøkkel delsystemer i AI og AD Cells
sensitivitetsanalyse identifisert interaksjoner viktige i C-33, C-51 og C-81 celler (fig. 7 og tabell S4). Vi beregnet samlet State følsomhetskoeffisienter (OSSCs) for de tre LNCaP kloner over parameter ensemble (materialer og metoder). De OSSC verdier ble rangert bestilt basert på deres absolutt styrke. Dissosiasjonen av AR fra varmesjokkproteiner (HSP), komponenter av Akt signaleringsaksen og MAPK-aktivering var viktig (topp 2% av følsomme interaksjoner) uavhengig av androgen status. Sequestered AR var ikke i stand til å bli aktivert av androgener eller MAPK. Således økte AR-HSP dissosiasjon promo økt AR aktivering og AR-drevet genekspresjon. Flere komponenter av MAPK-kaskaden var også viktig herunder Ras-binding til GAP og Raf, og defosforylering av ERK. Sensitiviteten av MAPK var ikke uventet. ERK var kritisk å forby aktivering av AR. Dessuten ble ERK-aktivering modellert som Ras-avhengig. Vi har også funnet Akt signaliserer aksen å ha komponenter i topp 2% av sensitive interaksjoner uavhengig av androgen status. For eksempel, dannelsen av PIP3, et tidlig trinn i PI3K /Akt signaleringsaksen reguleres ved PTEN, ble funnet å være meget følsom i alle kloner. Ser utover den øvre 2% av sensitive interaksjoner, ble ytterligere felles mekanismer identifisert. Disse inkluderte AR interaksjoner med DHT, rekruttering av adapter molekyler av Her2, aktivering av ERK ved MEKpp og ytterligere regulering av PIP3 dannelsen av PTEN
A:. Sammenligning av gjennomsnitts OSSC parameter rangerer for C-33 og C -81 LNCaP modeller. Store rekkene indikerer skjørhet. Poeng til 45 linjen er mer viktig i C-33, mens skift til høyre viser økt betydning i C-81. Poeng blir organisert av biologisk funksjon. B: Sammenligning av den midlere OSSC parameter rangerer for oversettelsesmekanismer (inkludert rolle Akt signalering i translasjonsinitiering) i C-33 i forhold til C-81 LNCaP kloner. De feilfelt indikerer ett standardavvik sentrert rundt middelverdien ensemble verdi. C: Den siste mekanismen i PSA transkripsjon blir stadig mer robust w.r.t kreft aggressivitet, som indikert av en betydelig reduksjon i gjennomsnittlig OSSC Rank. D: Den siste mekanismen i PSA oversettelse (oversettelse terminering) var stadig skjør w.r.t kreft aggressivitet, som indikert av en betydelig økning i gjennomsnittlig OSSC rang. Resultatene indikerer en forskyvning i flaskehalsen for generering av PSA fra transkripsjon til oversettelse som prostata cancer cellene mister sin androgen avhengighet. Toppen og bunnen av hver boks betegne den 25. og 75. persentil av OSSC rang over parameter ensemble. Senterlinjen betegner medianverdien. Whiskers vise lengst observasjoner og svarte kors indikere uteliggere.
Oversettelses interaksjoner ble mer skjør mens transkripsjon ble mer robust med økende androgen uavhengighet. HER2 auto-aktivering og HER2 cPAcP interaksjoner ble også stadig viktigere med økende androgen uavhengighet. Forskjellen i viktigheten av interaksjoner i AI versus AD LNCaP kloner ble estimert ved å beregne endringer i sensitivitets rangeringer (tabell S5). I tillegg til å vurdere C-33 og C-81, analyserte vi en tredje klon, C-51, som var moderat androgen-avhengig. Det var 117 statistisk signifikante skift (52 mer og 65 mindre sensitiv) mellom C-81 og C-33 kloner. Men bare 14 skift var større enn en standard over middel skift. Av de 14 store skift, 50% involvert PSA og PAcP oversettelse mens resten var forbundet med Her2 og cPAcP. Motsatt ble PSA transkripsjon mer robust med økende androgen uavhengighet. Tilsvarende når man sammenligner C-33 til C-51, PSA oversettelse og Her2 aktivitet ble mer følsom med økende androgen uavhengighet. Inspeksjon av betydningen av det siste trinnet i PSA transkripsjon og oversettelse mellom de enkelte modellene i ensemblet viste et skifte bort fra transkripsjon (Fig. 7C) mot oversettelse (Fig. 7D) over bestanden av modellene. Den økende betydningen av oversettelsen ble ikke begrenset til PSA, selv om PSA var den mest betydningsfulle eksempel. Globalt, 16 av de 52 interaksjoner som var mer sensitiv i C-81 involvert oversettelse mens bare 4 av 52 involverte transkripsjon. Ingen oversettelsesmekanismer ble mer robust i C-81 sammenlignet med C-33. I likhet med PSA, oversettelse av andre viktige proteiner som cPAcP ble mer følsom i C-81 versus C-33. Av de statistisk signifikante skift, 7/9 av de cPAcP oversettings samhandlinger var mer følsomme i C-81. I tillegg begge mekanismer for fosforylering av 4E-BP1 av TOR kinase, et viktig steg i oversettelse initiering som frigjør eIF4E, var også mer betydning i C-81. Til sammen sensitivitetsanalysen antydet at sårbarheten i translasjonell delsystem direkte korrelert til androgen uavhengighet.
For å kvantifisere effekten av forstyrrende nøkkelarter i C-81 kloner vi preformed robusthet analyse på fire funksjonelle proteinmarkører. Startbetingelsene av sju hovedproteinarter ble endret med en faktor på 10, 0,1 eller 0 for knock-in, knock-down eller knock-out forstyrrelser, henholdsvis. Vi så beregnet effekten av disse forstyrrelse på cyclin D og PSA uttrykk nivåer sammen med ERK og AR aktiveringsnivå. Forstyrrelse av Raf, MEK og ERK hadde lignende virkning på de funksjonelle markører med ERK å være den mest bemerkelsesverdige (fig. 8, kolonnene 1, 2 og 3). Trivielt, ERK forstyrrelser direkte berørt ERK aktiveringsnivå. Men enda viktigere, ERK perturbasjoner i stor grad berørt cyklin D ekspresjonsnivåer. ERK knock-ins omtrent doblet cyclin D mens ERK knock-outs redusert cyclin D til mindre enn en tredjedel av vill-type nivåer. De funksjonelle markører var robust for forstyrrelser i AKT og TOR med ulike effekter på ERK aktivitet og små reduksjoner i uttrykk nivåer ved AKT eller TOR knock-out (Fig. 8, baner 4 og 5). Videre translasjons-initierings-faktor eIF4E vist en begrensende reagens oppførsel i ekspresjon av både cyclin D og PSA mens forstyrrelser i 4E-BP1 hadde liten effekt (figur 8, sporene 6 og 7). Imidlertid kan de 4E-BP1 resultatene være en gjenstand for kunstig høye bakgrunnsnivåer av eIF4E som ingen direkte eIF4E målingene ble tatt med i treningsdata. Knock-in simuleringer av eIF4E viste en 8,7 og 5,2 ganger økning i cyclin D og PSA uttrykk. Reduksjon av eIF4E resulterte i et 89% tap av ekspresjon og, full knock-out simuleringer forutsagt et fullstendig tap av cyclin D og PSA.
Ekspresjonsnivået av sju hovedproteiner ble forandret med en faktor på 10,. 1 eller 0 (knock-in, knock-down eller knock-out) og robusthet koeffisienter (areal under kurven for den perturberte versus villtype-simulering) ble beregnet for cyklin D og PSA ekspresjonsnivåene sammen med ERK og AR aktiveringsnivåer. Simuleringer ble utført for C-81, med den indikerte forstyrrelse, å tilnærme steady-state og 10 nM av DHT ble tilsatt i 72 timer. Ensemble middelverdier er rapportert.
MAPK og Akt Pathways synergi Aktivert Cyclin D Expression
Komplekse systemer sammensatt av samspill delsystemer kan vise emergent egenskaper som ikke kan forklares av de enkelte delsystemene alene [62]. I kreft biologi, er det vanlig å tale om signaltransduksjonsveier som om de var isolert. I virkeligheten er disse komponentene er sterkt forbundet med hverandre og kan samvirke på en rekke måter noen ganger fører til uforutsigbar oppførsel.
