Abstract
microRNAs (mirnas) er små, ikke-kodende RNA som spiller en viktig rolle i mange viktige biologiske prosesser, herunder utvikling, celledifferensiering, cellesyklus og apoptose, som sentrale post-transcriptional regulering av gen uttrykk. Nyere studier har vist at mirnas kan fungere som onkogener og tumor suppressorer avhengig av sammenhengen. Dette arbeidet fokuserer på fysiologiske betydningen av miRNAs og deres rolle i regulering av veksling oppførsel. Vi illustrerer en abstrakt modell av Myc /E2F /MIR-17-92 nettverk presentert av Aguda et al. (2008), som består av koplingen mellom E2F /MYC positiv feedback loops og E2F /Myc /MIR-17-92 negativ feedback loop. Ved systematisk å analysere nettverk i nært samarbeid med plausible eksperimentelle parametre, viser vi at, i nærvær av mirnas, kommer systemet bistabilitet fra systemet, med en bistabil bryter og en en-veis bryter presentert av Aguda et al. i stedet for en enkelt en-veis bryter. Videre kan mirnas optimalisere byttet. Modellen gir et variert utvalg av respons-signal atferd som respons på ulike mulige regulerings scenarier. Modellen forutsier at denne overgangen eksisterer, en fra celledød eller kreft fenotype direkte til celle quiescence, på grunn av eksistensen av miRNAs. Det ble også funnet at nettverket omfatter MIR-17-92 oppviser høy følsomhet for støy som følge av en positiv tilbakekoplingssløyfe, og opprettholder også motstand mot støy fra en negativ tilbakekoplingssløyfe
relasjon:. Li Y, Li Y, Zhang H, Chen Y (2011) mikroRNA-mediert Positiv tilbakemelding Loop og optimalisert Bistable Switch i en Cancer Network Involvering MIR-17-92. PLoS ONE 6 (10): e26302. doi: 10,1371 /journal.pone.0026302
Redaktør: Richard James Morris, John Innes Centre, Storbritannia
mottatt: 23 februar 2011; Godkjent: 23 september 2011; Publisert: 14 oktober 2011
Copyright: © 2011 Li 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:. Dette arbeidet ble støttet av Natural Science Foundation National of China (Grant No. 10975063, 30870364), High Technology Research and Development program of China (863 program, Grant No. 2007AA021807), og The Key Technology R D program i Gansu-provinsen ( Grant No. 0708NKCA129). 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
microRNAs (mirnas) er små, endogene ikke-kodende RNA-molekyler, typisk nukleotider (nt) i lengde. Tradisjonelt mirnas ble antatt å være en uønsket klasse av små RNA som bare servert en relevant funksjon i nonmammalian arter. I 1993 Ambros og kolleger fant at lin-4 genet ikke koder for et protein produkt, men gir opphav til en 61-nt forløper genet som forfaller til en rikere 22-nt avskrift i modellorganisme
Caenorhabditis elegans
[1]. Den Ruvkun laboratorium observerte at lin-14 proteinsyntese reguleres post-transkripsjonelt, og at lin-14-nivåene er omvendt proporsjonal med de av lin-4-RNA [2]. Således viste de første miRNA og mRNA-target interaksjon, hvor lin-4-RNA har sekvensen komplementaritet til det ikke-translaterte regionen av lin-14-genet. Foreløpig har det vært over mirnas identifisert og publisert i offentlige databaser (miRBase database, https://microrna.sanger.ac.uk). Disse mirnas har blitt identifisert i dyr, planter og virus og er involvert i reguleringen av en rekke biologiske prosesser.
Ved å etter transcriptionally nedregulere genuttrykk, det er i dag spådd at mirnas regulere opp til av humane gener og deres mål inkluderer signaliseringsproteiner, enzymer og transkripsjonsfaktorer [3]. Mangfoldet og overflod av miRNA mål resultere i mirnas spiller viktige roller i nesten alle grunnleggende cellulære prosesser, for eksempel utviklings timing, celleproliferasjon, apoptose, stamcelle vedlikehold, differensiering, signalveier, og patogenesen inkludert kreft [4] – [6] . Det er bemerkelsesverdig at omtrent halvparten av de kjente miRNAs er plassert inne i eller nær sårbare områder og i minimale regioner av tap av heterozygositet, minimal regioner av presiseringer, og vanlige stoppunkter i forbindelse med kreft [7]. Nyere studier har vist at mirnas er involvert i initiering og progresjon av en rekke kreftformer og kan virke som onkogener eller tumor-suppressorer, avhengig av vevet og ekspresjonsnivået av sine mål [8], [9].
Åpenbart mirnas kan ikke uavhengig utføre en eneste oppgave i celler. I stedet mirnas regulere mobilnettverk som nettverkskomponenter i mange cellulære funksjoner. Faktisk er det antatt at mirnas føre til mer effektiv støybuffer [10], [11]. I tillegg Aguda et al. fant at MIR-17-92 spiller en onkogen rolle i en setting, men undertrykker svulstdannelse i et annet scenario [12]. Her er det to bestemmende faktorer, definisjonen av den postulerte kreft sonen og bryteren atferd av systemdynamikk [12]. Legg merke til at den Myc /E2F /mir-17-92 nettverk er sammensatt av to tilbakekoblingssløyfer: en positiv selv-tilbakekoplingssløyfe for protein modul (Myc /E2F) og en negativ sløyfe mellom miRNA og proteinet (figur 2 i [12 ] eller fig S1). Dette nettverket vises en typisk bistabile bryter oppførsel og en en-veis bryter som svarer til den bistabilitet og monostablility, henholdsvis [12]. Faktisk er en eneste positiv feedback loop uten miRNA nok til å innse en bistabile bryter. Derfor er det interessant å undersøke den fysiologiske betydningen av miRNAs eller hvorfor kreft nettverk krever miRNA regulering og bidragene fra mirnas.
For å undersøke dette problemet, fokuserer vi her på en abstrakt modell av Myc /E2F /MIR -17 til 92 nettverk beskrevet av Aguda et al. [12] og liggende simuleringer med eksperimentelle parametere. Våre resultater viser at eksistensen av miRNA forbedrer muligheten for de bistabile brytere i systemene. For enkeltsløyfebryteren, er det en såkalt hurtig /langsom sløyfe for å beskrive høy /lav responskinetikk for aktivering og inaktivering [13]. Normalt oppnår enkelt fast-sløyfe bryter raskere svar. Videre fant vi også at miRNA kan megle systemet mellom en rask sløyfe og en langsom sløyfe på grunn av ulike rente koeffisientene degradering for MIR-17-92 og E2Fs /Myc (generelt, er mirnas mer stabil enn protein), og kan spre responsen oppførselen til systemet til inngangen stimulus. Spesielt, udempet oscillasjon avslapping oppførselen til systemet indikerer en mulig digitalt reguleringsmodus. Videre svitsje atferd i nettverket som involverer MIR-17-92 er både følsomme for stimuli og motstandsdyktig mot svingninger i stimulans. Våre funn viser at mirnas spille en nøkkelrolle i muligheten for å oppnå en følsom robusthet i biologiske systemer.
Resultater
Model Formulering
Ved å følge pattedyr G1-S regulatorisk nettverk, den essensielle abstrakt strukturen av Myc /E2F /mir-17-92 nettverk er illustrert i figur 1. betegner proteinet modulen (Myc og E2Fs), og er miRNA klynge modulen (se ref. [12] eller fig S1 for den detaljerte reduksjonsprosessen). Den positive tilbakekoblingssløyfe i modulen representerer en autokatalytisk prosess, som også er inhibert av modulen. På samme tid, induserer transkripsjon av.
og betegner proteinet modulen (Myc og E2Fs) og miRNA klyngen, respektivt.
Dynamikken til de respektive konsentrasjonene av og beskrives ved følgende ordinære differensialligninger [12] 🙁 1) (2) der og betegner konsentrasjonene av og henhold~~POS=TRUNC svis~~POS=HEADCOMP. beskriver konstitutiv ekspresjon proteinet fra det signaltransduksjonsbane i det ekstracellulære medium, og er eksperimentelt styres i cellekulturmediet. skildrer-uavhengig konstituerende transkripsjon av. og er frekvensen koeffisientene degradering. er konstant for proteinekspresjon, og er hastighetskonstanten. er koeffisienten for proteinekspresjon, og er et mål på miRNA inhibering av protein ekspresjon.
I henhold til en serie av nondimensionalizing prosesser [12], ligningene. (1) og (2) kan omskrives som: (3) (4) Her, og. Generelt er mindre enn fordi miRNA er mer stabil enn protein. tillates å variere i området fra. De eksperimentelt kontrollerbare parametre og varierer fra og, henholdsvis [12], [14], [15]. Den siste parameteren er satt som. Prosessen med å utlede de dimensjons parametrene er presentert i tekst S1.
steady state, Enveis Brytere og bistabile brytere
Angi ligningene. (3) og (4) lik null og løse for røttene av algebraiske ligninger fra høyre side, får vi de steady state i modellen. Som vist i [12], eksisterer det følgende forhold: (5) der og representerer steady state of og henholdsvis (se eksplisitte løsninger i tekst S2). Legg merke til at det bare er en konstant forskjell mellom og. Videre betegner den dimensjons konsentrasjonen av protein E2Fs og Myc som er direkte korrelert med onkogen eller tumor suppresjon. Derfor presenterer vi bare resultatet av og i følgende sammenheng.
På grunn av den positive tilbakemeldinger i modulen, viser dette systemet en veksling oppførsel, og den har to stabile faste punkter i den aktuelle parameter regimet [16] . Steady-state bifurkasjon diagrammer som en funksjon av parameteren for forskjellige verdier av er presentert i de øverste platene i figur 2. Tatt i betraktning de fysiologiske begrensninger, bør den horisontale akse være større enn, og ender ved en maksimal verdi av. Klart, viser den også onkogene og tumor suppressor egenskaper av MIR-17-92 ved bruk av konseptet med kreft sonen [12] (se figur 2A-D). Merk at avtar med avtagende for faste og. Derfor har positiv feedback loop en lignende omvendt regulere funksjon av miRNA.
(toppfeltene) og fasediagrammer (nederst paneler) for å bytte atferd. Styrken av den dimensjonsløse måling av miRNA hemming økes fra for, og (kolonne fra venstre til høyre en). I bunnplatene, den røde stiplete linjer betegner omfanget av proteinet uttrykket konstant, fra til. Klart, er systemet sterkt forbedret med hensyn til muligheten av vippebryter med inkluderingen av miRNA inhibering. Her,.
I tilfelle av en bistabil bryter, oppviser systemet hysterese, som er en egenskap ved bistabile systemer. For enkelhets skyld, betegner vi den nedre /øvre steady state (lavere /høyere proteinkonsentrasjon) som av /på tilstand. Som et eksempel, for i figur 2A, som øker langs den nedre gren stabil, forblir i av-tilstand inntil. Når økes ytterligere, forsvinner off-tilstand, og bryteren beveger seg mot den øvre stabil gren, tilsvarende den på-tilstand. Så, hvis vi redusere flytter bryteren langs øvre stabil gren til, og deretter en overgang bringer bryteren tilbake til av-tilstand. Men systemet fungerer også som en ekstrem manifestasjon av hysterese, en en-veis bryter, der på-tilstand grener i den negative domene, men faktisk er eliminert på grunn av en fysisk meningsfull begrensning (for eksempel, i figur 2A og, i figur 2B).
det er kjent en bistabil område er omsluttet av to sadel-node forgreningen punktene (venstre og høyre kne av kurvene i toppfeltene på figur 2). For noen verdier i denne regionen, har systemet to stabile løsninger og en ustabil en. Bunnfeltene av figur 2 tilveiebringe hele fasediagram av bryter atferd inkludert bistabile og enveis brytere og en monostabil region for forskjellige verdier. Ved å øke styrken av den positive feedback, gjennomgår systemet en overgang fra monostability til en bistabil bryter og deretter til en en-veis bryter. Parameteren har en lignende innflytelse. Når vi øker, begynner overgangen med en en-veis bryter til en bistabil bryter og deretter til monostablility. Som for den dimensjonsløse parameter av miRNA inhibering, reduseres bryteren region innesluttet i den effektive domenet (fra til, betegnet med to rød stiplede linjer). Det bør imidlertid bemerkes at systemet har bare en enveis koblings oppførsel uten (se figur 2E). Den effektive område av den bistabile bryter blir ekspandert ved å øke styrken på (fig 2E-H). Ellers, for høyere verdier av, er systemet alltid er monostabile, men i tilfelle av lavere verdier, frembringer systemet forskjellige dynamiske oppførsel med eksistensen av.
Merk at det eksisterer en kreft sone mellom nivåene assosiert med normal cellesyklus og apoptose, en rekke myc og E2F-nivåer med økt sannsynlighet for å fremkalle kreft (se fig S2 eller Figurene 3, 6 i [12]). Generelt betegner off-state celle quiescence og on-landene representerer andre prosesser (cellesykluser kreften sone, og celle apoptose). I alle tilfeller, blir reguleringen pålagt av miRNA eller den positive tilbakekoblingssløyfe begrenset til den øvre tilstand, fra cellesykluser til kreft-sonen og til celle apoptose eller invers rekkefølge (se figur 2 og figur 6 i [12]). Vurderer en forstyrrelse av langs på tilstanden til en enkelt bistabile bryter, endres litt. For at systemet nesten forblir i på-tilstand, fordi det bare foreligger én-veis bryter (Faktisk, er sannsynligheten for å overføre til en annen celle status er også meget lav. Se figur 2A.) Er imidlertid for (eksistensen av miRNA ), er det mulig å vende tilbake til cellen quiescence på grunn av den bistabile bryter (figurene 2B-D). Dette betyr at mirnas fører til tilbakevendende prosessen fra på-tilstand til av-tilstand. Dermed gir den miRNA to mulige reguleringsveier, fra celle apoptose eller kreften sonen til celle quiescence (Figur S3).
. Styrken av positiv feedback er satt til, og styrken av negativ feedback økes 1,0 til 1,2 og 1,6 fra venstre til høyre. Parameter og. De øvre radene viser tidsforløpet av responsen til (A og B) på pulsinngangen, for og for andre, eller (C) en konstant stimulus med, hvor den røde stiplete linjer betegner inngangssignalet. De nederste radene viser den tilsvarende bifurcation diagrammet, hvor /betegner sal punkt og /representerer en Hopf deli. Klart, gjennomgår systemet overganger fra bistabilitet til oppstemthet og avslapping oscillasjon med økende.
Diversifisering av Signal-respons atferd
Som vist i figur 2, fremveksten av hemming av miRNA induserer spredning av systemdynamikk i de fysiologiske regionene. Faktisk, undertrykkelse av ved gir negative tilbakemeldinger (se figur 1). Dette systemet, som består av positive og negativ tilbakekopling, er en fleksibel motiv som kan oppvise forskjellige virkemåter [17], [18]. Det er allerede blitt vist at den negative tilbake gjør svingning mulig [19], [20]. Her viser vi at systemet kan vise forskjellige signal-respons atferd som tilsvarer de ulike regimene i Tall 2F-H.
For noen faste styrken av positive tilbakemeldinger, er oppførselen til systemet forskjellig for varierende ( se bunnplatene på figur 2). Med og fra 1,0 til 1,2 og 1,6, viser figur 3 at responsen av systemet til inngangssignalet blir avstemt ved. Den øverste raden viser tidsutviklingen av under inngangs stimulus, og den nederste rad viser det tilsvarende delinger diagram av systemet. Den faste og stiplede linjer betegner stabile og ustabile steady state, henholdsvis. /Betegner en sal-node delinger og /representerer en Hopf deli. Inngangen stimulus er en puls med unntak av når det er tid 0,16 fra 20 til 25 i figur 3A og 3B, men det alltid er konstant ved i figur 3C. De opprinnelige verdiene som ble anvendt var og.
Først, i tilfelle av, oppfører systemet irreversibelt. Under pulsinngang, legger systemet til på-tilstand og kan ikke gå tilbake til den opprinnelige off-state (figur 3A). Denne oppførselen er typisk for en en-veis bryter (Figur 3D). Som er økt til 1,2, er styrken på pulsinngangen i området mellom og (figur 3E). I dette tilfellet er det tre steady state, men bare den nedre tilstand (off-state) er stabil, mens de andre (de øvre og midtre seg) er ustabile. Systemet viser oppstemthet der først kjørt til på-tilstand på grunn av ustabilitet fra pulsinngang og deretter helt gjenoppretter til den opprinnelige off-tilstand etter en kort shift (Figur 3B). Således modellsystemet genererer også en stor amplitude forbigående puls for å svare på pulsinngang.
Når økes ytterligere og styrken av den konstante stimulus er mellom to Hopf bifurkasjon punkter og, går systemet inn i grense -syklus svingninger (se fig 3C og 3F, og de respektive 3-dimensjon forgreningen på fig S4). stiger gradvis og deretter faller hurtig etter å ha nådd et maksimum og syklusen gjentar seg. Som vi vet, er det udempet oscillasjon avslapping en periodisk prosess der langsom jevn endring av tilstanden til et objekt over et begrenset tidsintervall blir vekslet med hurtig uregelmessig forandring av tilstanden i løpet av en uendelig kort tid. Siden van der Pol presenterte klassisk eksempel på en en-dimensjonale system med avslapping svingninger [21], er slike oscillerende prosesser observert i mange ekte mekanisk, radiotechnical, biologiske, laser fysiske etc., stedene. Så er en slik oscillasjon en type udempet oscillasjon avslapping. Spesielt er det ingen tidsforsinkelse i den siste grense-syklus pendling system. Dette betyr at denne svingning resultat av hysterese fremkalt ved den positive feedback [22], [23].
Som det fremgår av figur 3A og 3D, systemet oppviser en grunnleggende fenomen i naturen, den såkalte bistabilitet . En bistabil system er i stand til å hvile i to stater, som må ikke være symmetrisk. Den karakteriserer bistabilitet er ganske enkelt at to stabile tilstander (minima) er atskilt med en barriere (lokalt maksimum). For eksempel, for et ensemble av partikler, kommer bistabilitet fra den frie energi har tre kritiske punkter. To av dem er minima, og den siste er et maksimum. Imidlertid figur 3B og 3E viser eksitabilitet av systemet. Felles for alle hissige systemer er eksistensen av en hvilestilling, en spent (eller avfyring) tilstand, og en ildfast (eller utvinning) tilstand, for eksempel aksjonspotensial i nervesystemer. Systemet er i nærvær av en stabil og ett eller flere faste punkter ustabile. Hvis uaffisert, befinner systemet i hvilestilling; små perturbasjoner resulterer bare i en liten amplitude responsen til systemet. For en tilstrekkelig sterk stimulus (for eksempel større enn verdien av i figur 3E), systemet kan forlate hvilestilling, går gjennom avfyrings og ildfaste tilstander og deretter kommer tilbake til hvile igjen [24].
Som illustrert ovenfor, med økende systemet gjennomgår en overgang fra bistabilitet til eksitabilitet og til udempet oscillasjon avslapping uten tidsforsinkelse. Vi foreslår at det er en mulig måte å fremstille forskjellige signal-respons-atferd ved å kombinere inhibering av miRNA og den eksperimentelt avstembar parameter. Figur 4 viser en oversikt over tunability hjelp av fasediagram av systemdynamikk i flyet med. Hovedtyngden diagram består av fire typer dynamikk: monostability, bistabilitet, oppstemthet, og udempet avslapping vibrasjons- hvor grense mellom disse dynamikk (heltrukne linjer i figur 4) er rygg node og Hopf deli poeng, henholdsvis. Vi kan ikke observere codimension 2 eller andre høyere codimension bifurcations i vår studert parameter utvalg. Det er åpenbart at verdiene av og kan være samvirkende innstilt på de tilsvarende områder for å oppnå ønskelige oppførsel og funksjoner. Faktisk, når vi fikse en parameter i, og de andre kan utføre lignende samvirkende funksjon for å oppnå de ulike respons atferd (se figur S5).
og med,. Størstedelen diagram av den dynamiske oppførselen til systemet er sammensatt av fire regioner: monostability, bistabilitet, oppstemthet, og udempet avslapping svinge. De røde og blå sirkler på grense betegne sal-node og Hopf bifurcations hhv.
Ja, en enkelt positiv feedback loop med ultrasensitivity er i stand til å fungere som en bistabil bryter og en enkelt negativ feedback loop med en tidsforsinkelse kan produsere vedvarende oscillasjoner [25] – [27]. Men et motiv satt sammen ved en løkke positiv og en negativ sløyfe utfører ikke bare de begge funksjoner uten å endre den topologiske struktur, men også presenterer opphisset oppførsel. Legg merke til at de to siste atferd resultat av negativ feedback loop av MIR-17-92 fordi det bare kan være en-veis brytere uten mirnas (figur 2A). Disse signal-respons atferd tilby ulike reguleringsmuligheter. Den oscillasjon (pulser) kan gi potensiell nøyaktig regulering, slik som den digitale respons på p53 til DNA-skade [28], [29].
Optimalisert bistabile bryter
I henhold til ligningene. (3-4), er den dimensjonsløse parameter en tidskonstant for aktivering og inaktivering av og bestemmer om bryteren er hurtig eller sakte. Legg merke til at er forholdet mellom nedbrytningshastigheten for E2Fs og Myc for MIR-17-92. Følgelig kan koplingsvirkemåten av proteinkonsentrasjonen fra den positive tilbakekoblingssløyfen også være representert som sammenvevd dual-tid tilbakekoplingssløyfer [13], [30], [31].
Figur 5 illustrerer bryteren responser hos systemet for to forskjellige tidskonstanter og til et trinn stimulus med eller uten svingninger. Basal styrken av stimulus styrke er innstilt på, hvor systemet er i utgangspunktet i av-tilstand, og deretter hopper til ved tiden, svarende til den på-tilstanden i systemet. De paneler i den venstre kolonnen angir den stimulus-inngang, hvor den venstre bunnfeltet svarer til en varierende miljø beskrevet av Gaussisk hvit støy med middelverdi og varians (figur 5A, 5D). Den midterste og høyre kolonne viser responsen av bryteren for og hhv. I alle tilfellene, systemet med en mindre øker raskt i den innledende fasen og reagerer mye hurtigere enn den langsommere sløyfen. Svingningene amplituden for større verdier er mye mindre enn den for den hurtigere sløyfe (figur 5E, 5F). Det vil si, den raske løkken er kritisk for svitsje følsomhet, men den langsomme sløyfen øker svitsje stabilitet til å motstå svingninger stimulus. Videre hemming av miRNA også bremser ned koblingsprosessen, spesielt i nærheten av på-tilstand, og effektivt undertrykker svingninger (Tall 5B og 5C, figur 5E og 5F).
(A) hopping stimulans innspill fra til på tidspunktet. (B) Svarene i systemet for en rask sløyfe (rød) og en langsom sløyfe (blå), hvor. (C) Samme som (b), men med. (D) Det samme som (A), men med en pålagt svingning, der er Gaussisk hvit støy med varians og mener, og er det samme som i (A). (E-F) Det samme som (B) og (C), henholdsvis. Alle simuleringer brukt og.
For å tydelig undersøke veksling robusthet for svingninger i stimulus, bruker vi definisjonen av brøkdel av overgangen [17], [30]. Systemet drives av den samme støyende stimulus med forskjellige frø, hvor og er gaussisk hvit støy. I utgangspunktet, vi avgjort på en populasjon av celler i på-tilstanden i systemet, med noen celler som kan slå til off-tilstand på grunn av en støy-indusert bryteren. er definert som forholdet mellom antall celler i overgangstilstanden til antall av alle celler ved hvert tidspunkt. Videre kan man definere den tiden som kreves for å nå midtpunktet mellom sine innledende og steady-state verdiene som den såkalte responstiden.
Figur 6 viser tids kurs av for, og. For mindre verdier, det tar en relativt lang tid for å nå en mindre stabil tilstand. Vi betegner som verdien av den stabile tilstanden. For eksempel, og for, noe som betyr at det meste av celler er fortsatt fanget i på-tilstand for en lang tid. I tilfelle av, og noe som indikerer at et betydelig antall celler () er vippet til den off-tilstand og tar mindre tid for å nå den stabile tilstand av.
Hver gang kurs representerer utviklingen av den fraksjonen som har gått minst en gang til av-tilstand, for et ensemble av celler. Her parametrene er,,,, og en Gaussisk hvit støy med varians.
Videre viser vi brøkdel av overgang og responstiden som funksjon av for ulike og verdier i Figur 7. I simuleringene, alle cellene i utgangspunktet avgjort i på staten. Svingningene i følger en Gaussisk hvit støy fordeling med varians. Med økende, avtar fra til, men også øker raskt i tilfelle av. Spesielt i vippe regionen, reduseres når økt, så kan på lignende måte observeres i figur 6. Disse koblings oppførsel skyldes bindingen mellom på-tilstanden og av-tilstanden når avtagende eller øker i området for den bistabile bryter (se den dynamiske diagram av
vs
, figur S6).
(A) Steady verdier av brøkdel av overgangen fra den første på-tilstand til off-stat som en funksjon av for. (B) Det samme som (A) for. (C-D) Responstiden
vs
for og hhv. Alle simuleringene brukes, og en Gaussisk hvit støy med varians.
Legg merke til det som er i venstre kolonne på figur 7 og er i den rette. Selvfølgelig, for små verdier av (hurtig sløyfe) og større verdier av eksisterer det et større område av hvor nesten alle celler som er fanget i på-tilstand (). I det kritiske området av fra for til, vippeprosessen med små verdier er mindre følsom overfor enn med større seg (figurene 7A og 7B). I tillegg, for små verdier er betydelig mindre enn for større (figurene 7C og 7D).
Cellulære prosesser er i det vesentlige stokastisk og forekommer i en varierende miljø [32]. En liten forstyrrelse i stimulans inngangs kan bli forsterket av positiv feedback [33], [34]. (Noen ganger kan positive tilbakemeldinger fungere som en støyfiltrering enhet [35]). I tillegg kan støy-indusert veksling oppførsel gi et falskt beslutning om celle skjebne (sak i figur 5E). Ved å involvere negativ feedback loop av miRNAs opererer Myc /E2F /MIR-17-92 kreft nettverk som en dual-tidsbryter vevd av raske og langsomme positive sløyfer. Hele systemet oppviser høy støyfølsomhet i av-tilstand på grunn av den hurtige respons den positive løkke, som reguleres av forholdet mellom miRNA og proteinnedbrytningshastigheter (obs er ofte mye mindre enn). Samtidig er systemet motstandsdyktig mot støy når den er i på-tilstand som følge av den negative tilbakemeldinger.
Diskusjoner
Det har blitt rapportert at MIR-17-92 oppfører seg som et onkogen og et svulsthemmer, avhengig av forskjellige situasjoner [36], [37]. For første gang, Aguda et al. analyserte den reduserte modell av koplingen mellom de E2F /myc-positive tilbakekoblingssløyfer og E2F /Myc /mir-17-92 negativ tilbakekoblingssløyfe. De viste at Mir-17-92 spiller en avgjørende rolle i å regulere protein nivåer (av /på). Viktigst, viste de de parallelle onkogene og tumorsupressorproteinene egenskaper MIR-17-92 ved hjelp av konseptet, kreft sonen (Figur S2 eller figur 3 i [12]). Ved å vurdere de bistabile bryter atferd, Aguda et al. [12] spådd at økende miRNA nivå driver E2F /Myc nivå i normal cellesyklus for å angi kreft sone (onkogen, sak a), eller driver protein nivåer for å avslutte kreft sone og inn i cellen apoptose (tumor suppressor, sak b), og vice versa (se fig S2 eller figur 3 i [12]). Den reduserte abstrakt modell av Myc /E2F /MIR-17-92 nettverk er vanligvis sammenvevd med positive og negative tilbakemeldinger looper (figur 1). Et bistabilt system med sammenkoblede sløyfer er blitt illustrert i gjær galaktose-utnyttelse nettverk [38], [39], mitogen-aktivert protein kinase 1,2 /protein-kinase C-signaleringsnett [40], [41], [biologiske klokka ,,,0],42], [43], den eukaryote cellesyklus [44], [45], p53-MDM2 nettverk [29], og så videre. Det har vist seg at et system med sammenlenkede løkker oppfører seg som en avstembar motiv og utfører forskjellige virkemåter [17]. Det vesentlige dynamisk i Myc /E2F /MIR-17-92-nettverket er en bistabile bryter, som kan realiseres bare av en positiv feedback loop uten mirnas (figur 2A). Således, den fysiologiske betydningen av mirnas er fortsatt uklar. Dette arbeidet er basert på hypotesen om at mirnas er avgjørende i å optimalisere svitsje oppførselen til Myc /E2F /MIR-17-92-nettverk, og vi fokuserer på rollen MIR-17-92 på responsen-signal atferd uten eller med støy.
i denne artikkelen bruker simulerings parametere som er biologisk plausibel, vi har vist at systemet representerer ulike atferd (monostability, en bistabile bryter, en en-veis bryter) i stedet for en enkel en- veis bryter på grunn av eksistensen av MIR-17-92 (se figur 2E-H. den bistabile-regionen er også større med miRNA til stede). Som et resultat, er systemet i stand til å generere et variert utvalg av signal-respons atferd med egnede kombinerte parametere (figurene 3A-C). Spesielt finner vi at, på grunn av eksistensen av MIR-17-92, er utvalget (parameter) av normale cellesykluser forstørret og denne overgangen (fra celledød /kreft til quiescence) blir trolig realisert av støy-indusert brytere. I tillegg, kan responstiden konstant for proteinet modulen reguleres ved miRNA nedbrytningshastigheten (i figurene 5B-C). Den Myc /E2F /MIR-17-92 nettverket kan kjøres som en dual-tidsbryter (vevd rask og langsom positive loops) og ser ut til å være mer følsomme for stimuli og motstandsdyktig mot stimulus svingninger (Tall 5E-F og Figur 6). Det betyr at Mir-17-92 kan utføre arbeidet med å optimalisere bistabile bryter der MIR-17-92 overfører signale robusthet (for å begrense uønskede signalsvingninger, buffering effekt) og oppnår optimal signal effekt (balanserende effekt).
i tillegg prosesser i genet regulatoriske systemer er vanligvis underlagt betydelige forsinkelser forårsaket av underliggende biokjemiske reaksjoner. Tidsforsinkelser i kombinasjon med en positiv /negativ feedback loop kan indusere vedvarende svingninger og multistability [12]. Modellen av Myc /E2F /MIR-17-92 nettverk bør også ta hensyn til flere forsinkelser.
