Extracto
Los microARN (miRNA) son pequeños ARN no codificantes, que juegan un papel importante en muchos tecla procesos biológicos, incluyendo el desarrollo, la diferenciación celular, el ciclo celular y la apoptosis, como reguladores centrales post-transcripcional de la expresión génica. Estudios recientes han demostrado que miRNAs pueden actuar como oncogenes y supresores de tumor en función del contexto. El presente trabajo se centra en la importancia fisiológica de miRNAs y su papel en la regulación del comportamiento de conmutación. Se ilustra un modelo abstracto de la red Myc /E2F /miR-17-92 presentado por Aguda et al. (2008), que se compone de acoplamiento entre los circuitos de retroalimentación positiva E2F /Myc y el bucle de retroalimentación negativa E2F /Myc /miR-17-92. Por el análisis sistemático de la red en estrecha asociación con los parámetros experimentales plausibles, se muestra que, en presencia de miRNAs, la biestabilidad sistema emerge del sistema, con un conmutador biestable y un interruptor unidireccional presentado por Aguda et al. en lugar de un único conmutador de una sola vía. Por otra parte, los miRNAs pueden optimizar el proceso de conmutación. El modelo produce una amplia gama de comportamientos de señales de respuesta en respuesta a diversos escenarios posibles de regulación. El modelo predice que existe esta transición, uno de la muerte celular o el fenotipo canceroso directamente a la celda quiescencia, debido a la existencia de miRNAs. También se encontró que la red de la participación de miR-17 a 92 exhibe una alta sensibilidad de ruido debido a un bucle de retroalimentación positiva y también mantiene la resistencia al ruido de un bucle de realimentación negativa
Visto:. Li Y, Li Y, Zhang H, y Chen (2011) microRNA mediada Lazo de retroalimentación positiva y conmutador biestable optimizada en una red cáncer que implica el miR-17-92. PLoS ONE 6 (10): e26302. doi: 10.1371 /journal.pone.0026302
Editor: Richard James Morris, John Innes Centre, Reino Unido
Recibido: 23 de febrero, 2011; Aceptado: September 23, 2011; Publicado: 14 Octubre 2011
Derechos de Autor © 2011 Li et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License, que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan
Financiación:. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant No. 10975063, 30870364), el programa de Investigación de alta Tecnología y Desarrollo de China (programa 863, la subvención No. 2007AA021807), y The Key Technology R & amp; D del programa de la provincia de Gansu ( Grant Nº 0708NKCA129). Los donantes no tenía papel en el diseño del estudio, la recogida y análisis de datos, decisión a publicar, o la preparación del manuscrito
Conflicto de intereses:.. Los autores han declarado que no existen intereses en competencia
Introducción
Los microARN (miRNA) son, pequeñas moléculas de ARN no codificantes endógenas, típicamente nucleótidos (nt) de longitud. Tradicionalmente, se pensaba que los miRNAs a ser una clase indeseable de ARN pequeños que sólo servían una función relevante en las especies no mamíferos. En 1993, Ambros y sus colegas encontraron que el gen lin-4 no codifica un producto proteico, pero da lugar a un gen precursor de 61-nt que madura a una más abundante transcripción de 22 nt en el organismo modelo
Caenorhabditis elegans
[1]. El laboratorio Ruvkun observó que la síntesis de proteínas lin-14 está regulada post-transcripcional y que lin-14 niveles son inversamente proporcionales a las de lin-4 ARN [2]. Por lo tanto, se reveló la primera diana de interacción miARN y el ARNm, en el que el ARN lin-4 tiene complementariedad de secuencia con la región no traducida del gen de lin-14. En la actualidad, ha habido más de miRNAs identificados y publicados en bases de datos públicas (base de datos miRBase, http://microrna.sanger.ac.uk). Estos miRNAs se han identificado en animales, plantas, y los virus y están involucrados en la regulación de una variedad de procesos biológicos.
Por post-transcripcionalmente abajo de la regulación de la expresión génica, que está actualmente predijo que los miRNAs regulan hasta de los genes humanos y de sus objetivos incluyen proteínas de señalización, enzimas y factores de transcripción [3]. La diversidad y abundancia de los genes miARN objetivos resultan en miRNAs juegan un papel importante en los procesos celulares casi todos fundamentales, tales como el calendario de desarrollo, la proliferación celular, la apoptosis, el vástago de mantenimiento celular, la diferenciación, las vías de señalización, y la patogénesis incluyendo carcinogénesis [4] - [6] . Es notable que aproximadamente la mitad de los miRNAs conocidos están situados dentro o cerca de los sitios frágiles y en las regiones mínimas de pérdida de heterocigosidad, regiones mínimas de amplificaciones, y los puntos de ruptura comunes asociados con el cáncer [7]. Estudios recientes han demostrado que miRNAs están implicados en la iniciación y progresión de una variedad de cánceres y pueden actuar como oncogenes o supresores tumorales dependiendo del tejido y el nivel de expresión de sus objetivos [8], [9].
Es evidente que los miRNAs no se puede realizar de forma independiente una sola tarea en las células. En su lugar, miRNAs regulan las redes celulares como componentes de la red en muchas funciones celulares. De hecho, se piensa que conducen miRNAs buffering a más eficaz ruido [10], [11]. Además, Aguda et al. encontró que miR-17-92 juega un papel oncogénico en un entorno pero suprime la formación de tumores en un escenario diferente [12]. Aquí, hay dos factores determinantes, la definición de la zona de cáncer postulado y los comportamientos de conmutación de la dinámica del sistema [12]. Tenga en cuenta que el //miR-17-92 red Myc E2F se compone de dos bucles de realimentación: un bucle de auto-retroalimentación positiva para el módulo de proteínas (Myc /E2F) y un bucle negativo entre el miARN y la proteína (Figura 2 en [12 ] o la Figura S1). Esta red aparece un comportamiento típico conmutador biestable y un interruptor de un solo sentido que corresponde a la biestabilidad y monostablility, respectivamente [12]. De hecho, un único bucle de retroalimentación positiva sin miRNA es suficiente para realizar un conmutador biestable. En consecuencia, es interesante investigar la importancia fisiológica de miRNAs o por qué el cáncer de redes requieren de una regulación miARN y las contribuciones de los miRNAs.
Para examinar esta cuestión, nos centramos aquí en un modelo abstracto de la Myc /E2F /MIR -17-92 red descrita por Aguda et al. [12] y las simulaciones actuales con los parámetros experimentales. Nuestros resultados muestran que la existencia de los genes miARN mejora la capacidad de los conmutadores biestables en los sistemas. Para el interruptor de un solo bucle, no es un denominado bucle rápido /lento para describir la cinética de respuesta rápido /lento para la activación y la inactivación [13]. Normalmente, el único interruptor de circuito rápido logra respuestas más rápidas. Por otra parte, también se encontró que los genes miARN puede mediar entre el sistema de un bucle rápido y un bucle lento debido a los diferentes coeficientes de velocidad de degradación de miR-17-92 y E2Fs /Myc (en general, los miRNAs es más estable que la proteína), y puede diversificar el comportamiento de respuesta del sistema a los estímulos de entrada. Sobre todo, el comportamiento de relajación de oscilación no amortiguada del sistema indica un posible modo de regulación digital. Además, los comportamientos de conmutación de la red implica miR-17-92 es sensible a los estímulos y resistente a las fluctuaciones de estímulo. Nuestro show hallazgo de que miRNAs juegan un papel clave en la posibilidad de lograr una solidez sensibles en los sistemas biológicos.
Resultados
Modelo Formulación
Siguiendo el mamífero G1-S reglamentario red, la estructura abstracta esencial de la Myc /E2F /miR-17-92 de red se ilustra en la Figura 1. representa el módulo de proteína (Myc y E2Fs), y es el módulo de clúster de genes miARN (véase la Ref. [12] o la Figura S1 para el proceso de reducción detallada). El bucle de retroalimentación positiva en el módulo representa un proceso autocatalítico, que también se inhibe por módulo. Al mismo tiempo, induce la transcripción de.
y denotan el módulo de proteínas (Myc y E2Fs) y el cluster miARN, respectivamente.
La dinámica de las concentraciones respectivas de y se describen mediante las siguientes ecuaciones diferenciales ordinarias [12] :( 1) (2) donde y denotan las concentraciones de y, respectivamente. describe la expresión de la proteína constitutiva de la vía de transducción de señales en el medio extracelular y es controlada experimentalmente en el medio de cultivo celular. representa la transcripción constitutiva de -independiente. y son los coeficientes de velocidad de degradación. es la constante de la expresión de proteínas, y es la constante de velocidad. es el coeficiente de expresión de la proteína, y es una medida de la inhibición de los genes miARN de expresión de la proteína.
En una serie de procesos nondimensionalizing [12], las Ecs. (1) y (2) se puede reescribir como: (3) (4) A continuación,,, y. En general, es menor que porque miRNA es más estable que la proteína. se le permite variar en el intervalo de. Los parámetros controlables de forma experimental y puede variar y, respectivamente [12], [14], [15]. El último parámetro se establece como. El proceso para deducir los parámetros adimensionales se presenta en el texto S1.
estados estacionarios, de una vía interruptores y conmutadores biestables
Ajuste de las ecuaciones. (3) y (4) igual a cero y resolviendo para las raíces de las ecuaciones algebraicas de los lados derechos, obtenemos los estados estacionarios del modelo. Como se muestra en [12], existe la siguiente relación: (5) donde y representan los estados estacionarios de y, respectivamente (ver las soluciones explícitas en el Texto S2). Tenga en cuenta que sólo hay una diferencia constante entre y. Por otra parte, se refiere a la concentración adimensional de E2Fs de proteínas y Myc que se correlaciona directamente con la supresión oncogén o tumor. Por lo tanto, se presentan sólo los resultados de y en el siguiente contexto
.
Debido a la retroalimentación positiva en el módulo, este sistema presenta un comportamiento de conmutación, y tiene dos puntos fijos estables en el régimen de parámetros apropiado [16] . diagramas de bifurcación en estado de equilibrio como una función del parámetro para diferentes valores de se presentan en los paneles superiores de la Figura 2. Teniendo en cuenta las limitaciones fisiológicas, el eje horizontal debe ser mayor que y termina en un valor máximo de. Claramente, sino que también muestra las propiedades supresoras de tumores oncogénicos y de miR-17-92 utilizando el concepto de zona cáncer [12] (véase la Figura 2A-D). Tenga en cuenta que disminuye con la disminución de fijo y. Por lo tanto, el bucle de realimentación positiva tiene una función similar a la inversa la regulación de los genes miARN.
(paneles superiores) y los diagramas de fase (paneles inferiores) del comportamiento de conmutación. La fuerza de la medida adimensional de la inhibición de los genes miARN se incrementa de a, y (de la columna izquierda a derecha uno). En los paneles inferiores, el rojo líneas discontinuas indican la gama de la constante de expresión de la proteína, de a. Claramente, el sistema está muy mejorado con respecto a la capacidad del interruptor de palanca con la inclusión de la inhibición de los genes miARN. Aquí,.
En el caso de un conmutador biestable, el sistema exhibe histéresis, que es una propiedad de los sistemas biestables. Para mayor comodidad, se denota el estado estacionario inferior /superior (mayor concentración menor /proteína) como el encendido /apagado del estado. A modo de ejemplo, en la figura 2A, a medida que aumenta a lo largo de la rama inferior estable, permanece en el estado de desconexión hasta. Cuando se incrementa aún más, el estado de desconexión se desvanece, y el interruptor se mueve hacia la rama estable superior, que corresponde al estado encendido. Entonces, si disminuimos, el interruptor se mueve a lo largo de la rama estable superior hasta, y luego una transición trae el interruptor de nuevo al estado de desconexión. Sin embargo, el sistema también actúa como una manifestación extrema de histéresis, un interruptor de un solo sentido, donde las ramas en el estado en el dominio negativo, pero es realmente eliminado debido a una restricción física significativa (por ejemplo,,, en la Figura 2A y, en Figura 2B).
es bien conocida una región biestable está encerrado por dos puntos silla-nodo de bifurcación (la izquierda y las rodillas derecha de las curvas en los paneles superiores de la Figura 2). Para cualquier valor en esta región, el sistema tiene dos soluciones estables y uno inestable. Los paneles inferiores de la Figura 2 proporcionan diagramas de fases enteras de comportamientos de conmutación incluyendo interruptores biestables y de un solo sentido y una región monoestable para diferentes valores. Al aumentar la fuerza de la respuesta positiva, el sistema experimenta una transición desde monostability a un conmutador biestable y luego a un conmutador de un solo sentido. El parámetro exhibe una influencia similar. Cuando aumentamos, la transición comienza con un interruptor de un solo sentido a un conmutador biestable y luego a monostablility. Como para el parámetro adimensional de la inhibición de los genes miARN, se reduce la región de cambio adjunto en el dominio eficaz de (a partir de a, denotado por dos rojos líneas de trazos). Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el sistema sólo tiene una sola vía comportamiento de conmutación sin (véase la Figura 2E). La región efectiva del conmutador biestable se expande mediante el aumento de la fuerza de (Figuras 2E-H). De lo contrario, para los valores más altos de, el sistema es siempre monoestable, pero en el caso de valores más bajos, el sistema produce diversos comportamientos dinámicos con la existencia de.
Tenga en cuenta que existe una zona de cáncer entre los niveles asociados a la normalidad ciclos celular y la apoptosis, un rango de niveles de Myc y E2F con mayor probabilidad de inducir el cáncer (véase la Figura S2 o en las Figuras 3, 6 en [12]). En general, el estado de desconexión indica la quiescencia celular y la sobre-estados representan otros procesos (ciclos celulares, la zona del cáncer, y la apoptosis de células). En todos los casos, la regulación impuesta por miRNA o el bucle de retroalimentación positiva se limita al estado superior, de los ciclos de células a la zona de cáncer y a la celda apoptosis o el orden inverso (véase la Figura 2 y la Figura 6 en [12]). Teniendo en cuenta una perturbación a lo largo del estado de conexión de un único conmutador biestable, cambia ligeramente. Para, el sistema casi se queda en el estado de encendido, porque no sólo existe el interruptor de un solo sentido (De hecho, la probabilidad de transferir a otro estado de las células es también muy bajo. Véase la Figura 2A.) Sin embargo, para (la existencia de los genes miARN ), es posible volver a la quiescencia celular debido al conmutador biestable (figuras 2B-D). Esto significa que los miRNAs conducen al proceso recurrente de la sobre-estado a estado de desconexión. Por lo tanto, el miARN ofrece dos posibles vías de regulación, de la apoptosis celular o la zona de cáncer a los teléfonos quiescencia (Figura S3).
. La fuerza de retroalimentación positiva según está estipulado, y la fuerza de retroalimentación negativa se incrementa de 1,0 a 1,2 y 1,6, de izquierda a derecha. Parámetros y. Las filas superiores muestran la evolución temporal de la respuesta a (A y B) de la entrada de impulsos, por y para los demás, o (C) con un estímulo constante, donde se lanzó el rojo líneas denotan la señal de entrada. Las filas inferiores muestran el diagrama de bifurcación correspondiente, donde /denota punto de silla y /representa una bifurcación de Hopf. Es evidente que el sistema experimenta transiciones de biestabilidad a la excitabilidad y al oscilador de relajación con el aumento.
Diversificación de la señal de respuesta Comportamientos
Como se muestra en la Figura 2, la aparición de la inhibición de miARN induce la diversificación de la dinámica del sistema en las regiones fisiológicas de. De hecho, la represión de los rendimientos por retroalimentación negativa (ver Figura 1). Este sistema, compuesto de retroalimentación positiva y negativa, es un motivo flexible que puede exhibir diversos comportamientos [17], [18]. Ya se ha demostrado que la retroalimentación negativa hace que la oscilación posible [19], [20]. Aquí, se muestra que el sistema puede exhibir diversos comportamientos de respuesta a la señal correspondiente a los diferentes regímenes de las figuras 2F-H.
Para cualquier fuerza fija de la retroalimentación positiva, el comportamiento del sistema es diferente para variar ( ver los paneles inferiores de la Figura 2). Con y que van de 1,0 a 1,2 y 1,6, la Figura 3 muestra que la respuesta del sistema a la señal de entrada se sintoniza por. La fila superior muestra la evolución temporal de bajo el estímulo de entrada, y la fila inferior muestra el diagrama de bifurcación correspondiente del sistema. Las líneas continuas y discontinuas denotan estados estacionarios estables e inestables, respectivamente. /Denota una bifurcación silla-nodo y /representa una bifurcación Hopf. El estímulo de entrada es un pulso con excepción de cuando es 0,16 de tiempo de 20 a 25 en las figuras 3A y 3B, pero siempre es constante a en la Figura 3C. Los valores iniciales utilizadas eran y.
En primer lugar, en el caso de, el sistema se comporta de forma irreversible. En virtud de la entrada de pulsos, el sistema se deposita en el estado CON y no puede volver a la inicial en estado bloqueado (Figura 3A). Este comportamiento es típico de un interruptor de un solo sentido (Figura 3D). Como es aumentado a 1.2, la fuerza de la entrada de impulsos está en el rango entre y (Figura 3E). En este caso, hay tres estados estacionarios, sino sólo el estado más bajo (fuera del estado) es estable mientras que los otros (los más superior y medio) son inestables. El sistema exhibe la excitabilidad, donde es conducido primero en el estado en el debido a la inestabilidad de la entrada de impulsos y luego se recupera por completo a la original en estado bloqueado después de un corto desplazamiento (Figura 3B). Por lo tanto, el sistema modelo también genera un pulso transitorio de gran amplitud para responder a la entrada de impulsos.
Cuando se aumenta aún más y la fuerza del estímulo constante está entre dos puntos de bifurcación de Hopf y, el sistema entra en límite -Ciclo oscilaciones (véanse las figuras 3C y 3F, y la respectiva bifurcación 3 dimensiones en la figura S4). se eleva gradualmente y luego cae rápidamente después de alcanzar un máximo, y el ciclo se repite. Como todos sabemos, la oscilación no amortiguada relajación es un proceso periódico en el que el cambio suave lenta del estado de un objeto en un intervalo finito de tiempo se alterna con el cambio irregular rápida del estado durante un tiempo infinitamente corto. Desde van der Pol presentó el ejemplo clásico de un sistema que tiene una dimensión oscilaciones de relajación [21], tales procesos oscilatorios se observan en muchos objetos físicos, etc., bienes mecánica, radiotécnica, biológica, láser. Por lo tanto, una oscilación de este tipo es un tipo de oscilador de relajación no amortiguado. Cabe destacar que no existe un retardo de tiempo en el sistema de oscilación reciente de ciclo límite. Esto significa que esta oscilación como resultado de la histéresis inducida por la respuesta positiva [22], [23].
Como se indica en la Figura 3A y 3D, el sistema exhibe un fenómeno fundamental en la naturaleza, la llamada biestabilidad . Un sistema biestable es capaz de descansar en dos estados, que no necesitan ser simétricas. La característica definitoria de biestabilidad es simplemente que dos estados estables (mínimos) están separados por una barrera (máximo local). Por ejemplo, para un conjunto de partículas, la biestabilidad viene de que la energía libre tiene tres puntos críticos. Dos de ellos son mínimos y el último es un máximo. Sin embargo, la figura 3B y 3E muestran la excitabilidad del sistema. Común a todos los sistemas excitables es la existencia de un estado de reposo, un estado excitado (o de disparo), y un refractario (o recuperación) de estado, como potencial de acción en los sistemas neuronales. El sistema está en la presencia de una estable y una o más inestables puntos fijos. Si no perturbado, el sistema reside en el estado de reposo; pequeñas perturbaciones dan como resultado sólo en una respuesta de pequeña amplitud del sistema. Para un estímulo suficientemente fuerte (por ejemplo, mayor que el valor de en la Figura 3E), el sistema puede dejar el estado de reposo, pasando a través de la cocción y estados refractarios y luego vuelve a descansar de nuevo [24].
Como se ilustra más arriba, con el aumento, el sistema experimenta una transición de la biestabilidad a la excitabilidad y a la oscilación de relajación no amortiguado sin un retardo de tiempo. Sugerimos que hay un camino viable para producir diversos comportamientos de respuesta a la señal mediante la combinación de la inhibición de los genes miARN y el parámetro sintonizable de forma experimental. La Figura 4 presenta una visión general de la capacidad de ajuste mediante el diagrama de fases de la dinámica del sistema en el avión con. El diagrama a granel se compone de cuatro tipos de dinámicas: monostability, biestabilidad, excitabilidad, y la oscilación no amortiguada relajación donde los límites entre estas dinámicas (líneas continuas en la figura 4) son silla-nodo y puntos de bifurcación de Hopf, respectivamente. No podemos observar la codimensión 2 u otras bifurcaciones mayor codimensión de nuestra amplia gama de parámetros estudiados. Es obvio que los valores de y pueden ser sintonizados de manera cooperativa en las regiones correspondientes para lograr comportamientos y funciones deseables. De hecho, cuando nos fijamos en un parámetro, y, los demás pueden realizar la función sinérgica similar a la consecución de los diversos comportamientos de respuesta (véase la Figura S5).
y con,. El diagrama mayor parte del comportamiento dinámico del sistema se compone de cuatro regiones: monostability, biestabilidad, excitabilidad, y la oscilación de relajación no amortiguado. Los círculos rojos y azules en fronteras denotan las bifurcaciones silla-nodo y Hopf, respectivamente.
De hecho, un solo bucle de retroalimentación positiva con ultrasensitivity es capaz de actuar como un interruptor biestable y un solo bucle de retroalimentación negativa con un retardo de tiempo puede producir oscilaciones sostenidas [25] - [27]. Sin embargo, un motivo montado por un bucle positivo y un bucle negativo no sólo realiza las funciones tanto sin cambiar la estructura topológica, pero también presenta comportamiento excitable. Tenga en cuenta que los dos últimos comportamientos como resultado del bucle de realimentación negativa de miR-17-92 porque sólo puede ser conmutadores de un solo sentido y sin miRNAs (Figura 2A). Estos comportamientos de respuesta a la señal ofrecen diversas opciones de regulación. La oscilación (pulsos) podría proporcionar una regulación precisa potencial, tales como la respuesta digital del p53 al daño del ADN [28], [29].
conmutador biestable optimizado
De acuerdo con las ecuaciones. (3-4), el parámetro adimensional es una constante de tiempo para la activación e inactivación de y determina si el interruptor es rápido o lento. Tenga en cuenta que es la relación entre la velocidad de degradación de E2Fs y Myc de miR-17-92. En consecuencia, el comportamiento de conmutación de la concentración de proteína del bucle de retroalimentación positiva también se puede representar como bucles entrelazados retroalimentación en tiempo dual [13], [30], [31].
Figura 5 ilustra las respuestas de conmutación de el sistema de dos constantes de tiempo diferentes y a un estímulo paso con o sin fluctuación. La resistencia basal de la fuerza del estímulo se establece en, donde el sistema está inicialmente en el estado de desconexión, y luego salta a en el tiempo, correspondiente a la de estado en el sistema. Los paneles en la columna de la izquierda indican la entrada de estímulo, en el que el panel inferior izquierdo corresponde a un entorno fluctuante descrito por ruido blanco gaussiano con media y varianza (figuras 5A, 5D). Las columnas central y derecha muestran la respuesta del conmutador de y, respectivamente. En todos los casos, el sistema con una más pequeña aumenta rápidamente en la etapa inicial y responde mucho más rápido que el del bucle más lento. La amplitud de fluctuación de los valores más grandes es mucho más pequeña que la de la (5E figuras, 5F) de bucle más rápido. Es decir, el bucle rápido es crítico para la sensibilidad de conmutación, pero el bucle lento aumenta la estabilidad de conmutación de resistir fluctuaciones de estímulo. Por otra parte, la inhibición de los genes miARN también ralentiza el proceso de cambio, sobre todo cerca del estado en, y efectivamente reprime fluctuaciones (Figuras 5B y 5C, las figuras 5E y 5F).
(A) La entrada de salto de estímulo a al vez. (B) Las respuestas del sistema para un bucle rápido (rojo) y un bucle lento (azul), donde. (C) El mismo que (B), pero con. (D) Igual que (A), pero con una fluctuación impuesta, donde es ruido blanco gaussiano con varianza y la media, y es el mismo que en (A). (E-F) Lo mismo que (B) y (C), respectivamente. Todas las simulaciones utilizadas y.
Para investigar claramente la robustez de conmutación a las fluctuaciones en el estímulo, se utiliza la definición de la fracción de transición [17], [30]. El sistema es accionado por el mismo estímulo ruidoso con diferentes semillas, donde y es el ruido blanco gaussiano. Inicialmente, nos instalamos en una población de células en el estado de encendido del sistema, con algunas células que pueden voltear al estado apagado debido a un interruptor inducida por el ruido. se define como la relación del número de células en el estado de transición al número de todas las células en cada punto de tiempo. Por otra parte, uno puede definir el tiempo requerido para alcanzar el punto medio entre sus valores de estado estacionario inicial y como el llamado tiempo de respuesta.
Figura 6 muestra los cursos de tiempo de para,, y. Para valores más pequeños, se tarda un tiempo relativamente largo para alcanzar un estado estable más pequeño. Denotamos como el valor de estado estacionario de. Por ejemplo, y por, lo que significa que la mayoría de las células todavía están atrapados en el estado de encendido durante mucho tiempo. En el caso de, y que indica que un número significativo de células () han volteado al estado de desconexión y están teniendo menos tiempo para alcanzar el estado estacionario de
.
Cada curso temporal representa la evolución de la fracción que ha hecho la transición al menos una vez al estado de desconexión, por un conjunto de células. En este caso, los parámetros son,,,, y un ruido blanco gaussiano con una varianza.
Además, se muestra la fracción de transición y el tiempo de respuesta en función de para diferentes valores y en la Figura 7. En las simulaciones, todas las células se establecieron inicialmente en el estado de conexión. La fluctuación de sigue una distribución de ruido blanco gaussiano con varianza. Con el aumento, la disminución de a, sino que también aumenta rápidamente en el caso de. Especialmente en la región de volteo de, disminuye cuando el aumento, como se puede observar de manera similar en la Figura 6. Estos comportamientos de conmutación resultado de la unión entre el estado y el estado de desconexión cuando la disminución o el aumento en la región del conmutador biestable (ver el diagrama dinámica de
vs
, Figura S6).
(a) los valores de equilibrio de la fracción de transición del estado inicial en el estado de desconexión en función de para. (B) Lo mismo que (A) para. (C-D) El tiempo de respuesta
vs Opiniones de y, respectivamente. Todos los cálculos usados, y un ruido blanco gaussiano con una varianza.
Tenga en cuenta que se encuentra en la columna izquierda de la figura 7 y está en la correcta. Obviamente, para valores más pequeños de bucle (rápido) y valores más grandes de, existe una región más grande de para la que casi todas las células se encuentran atrapados en el estado de conexión (). En la región crítica de para de a, el proceso de volteo con valores pequeños es menos sensible a que con las más grandes (Figuras 7A y 7B). Además, para valores pequeños es significativamente menor que para los más grandes (Figuras 7C y 7D).
Los procesos celulares son esencialmente estocástico y se producen en un entorno fluctuante [32]. Una pequeña perturbación en la entrada de estímulo podría ser amplificado por retroalimentación positiva [33], [34]. (A veces, la retroalimentación positiva puede funcionar como un dispositivo de filtrado de ruido [35]). Además, el comportamiento de conmutación inducida por el ruido puede inducir una decisión falsa sobre el destino celular (caso de la figura 5E). Con la participación de la curva de retroalimentación negativa de miRNAs, la red cáncer Myc /E2F /miR-17-92 funciona como un interruptor de doble tiempo interconectado por los bucles positivos rápidos y lentos. Todo el sistema exhibe una alta sensibilidad de ruido en el estado de desconexión debido a las rápidas respuestas del bucle positivo, que está regulada por la relación entre la tasa de degradación de proteínas y genes miARN (tenga en cuenta que a menudo es mucho menor que). Al mismo tiempo, el sistema es resistente al ruido cuando está en el estado en como consecuencia de la retroalimentación negativa.
Discusión
Se ha informado de que el miR-17-92 se comporta como un oncogén y un supresor de tumor en función de diferentes situaciones [36], [37]. Por primera vez, Aguda et al. analizado el modelo reducido del acoplamiento entre los circuitos de retroalimentación positiva E2F /Myc y el bucle de retroalimentación negativa E2F /Myc /miR-17-92. Demostraron que el miR-17-92 juega un papel crítico en la regulación de los niveles de proteína (on /off). Lo más importante, demostraron las propiedades supresoras de tumores oncogénicos y paralelas de miR-17-92 utilizando el concepto, la zona de cáncer (Figura S2 o la Figura 3 en [12]). Al tener en cuenta los comportamientos de conmutación biestables, Aguda y col. [12] predijo que el aumento del nivel de miARN impulsa nivel de E2F /Myc en el ciclo normal de las células para entrar en la zona de cáncer (oncogén, el caso a), o unidades de los niveles de proteína para salir de la zona cáncer y entrar en la apoptosis de las células (supresor de tumores, el caso b), y viceversa (véase la figura S2 o la Figura 3 en [12]). El modelo abstracto reducida de la red Myc /E2F /miR-17-92 es típicamente vinculados entre sí por la retroalimentación positiva y negativa bucles (Figura 1). Un sistema biestable con bucles entrelazados se ha ilustrado en la red de levadura galactosa-utilización [38], [39], la mitogen-activated proteína quinasa 1,2 /proteína quinasa C de la red de señalización [40], [41], los relojes circadianos [ ,,,0],42], [43], el ciclo celular eucariota [44], [45], la red de p53-Mdm2 [29], y así sucesivamente. Se ha demostrado que un sistema con bucles entrelazados se comporta como un motivo sintonizable y realiza diversos comportamientos [17]. La dinámica esencial en la red Myc /E2F /miR-17-92 es un conmutador biestable, que puede ser realizado sólo por un circuito de retroalimentación positiva sin miRNAs (Figura 2A). Por lo tanto, la importancia fisiológica de miRNAs sigue sin estar clara. El presente trabajo se basa en la hipótesis de que los miRNAs son esenciales en la optimización de las propiedades de conmutación de la red /Myc E2F /miR-17-92, y que se centran en el papel de miR-17-92 sobre el comportamiento de la señal de respuesta sin o con el ruido.
En el presente trabajo, utilizando parámetros de simulación que son biológicamente plausible, hemos demostrado que el sistema representa diferentes comportamientos (monostability, un conmutador biestable, un interruptor de un solo sentido) en lugar de un simple uno interruptor de manera debido a la existencia de miR-17-92 (ver Figuras 2E-H. la región biestable es también más grande con miARN presentes). Como resultado, el sistema es capaz de generar una amplia gama de comportamientos de respuesta de la señal con los parámetros combinados adecuados (Figuras 3A-C). Especialmente, nos encontramos con que, debido a la existencia de la miR-17-92, la gama (parámetro) de ciclos celulares normales es ampliada y esta transición (de la muerte celular /cáncer de quiescencia) es probablemente dio cuenta por los interruptores inducida por ruido. Además, la constante de tiempo de respuesta del módulo de la proteína puede ser regulada por la velocidad de degradación de los genes miARN (en las figuras 5B-C). La red Myc /E2F /miR-17-92 puede funcionar como un interruptor de doble tiempo (interrelacionado rápido y lento bucles positivos) y parece ser más sensible a los estímulos y resistente a las fluctuaciones de estímulo (Figuras 5E-F y Figura 6). Esto significa que el miR-17-92 puede llevar a cabo esfuerzos para optimizar el conmutador biestable donde miR-17-92 confiere robustez de señalización (para limitar las fluctuaciones no deseadas de señalización, efecto de amortiguación) y alcanza (efecto de equilibrio) de señalización eficacia óptima.
Además, los procesos en los sistemas de regulación de genes son típicamente sujetos a considerables retrasos provocados por reacciones bioquímicas subyacentes. Los retrasos de tiempo en combinación con un circuito de retroalimentación positiva /negativa pueden inducir oscilaciones sostenidas y multiestabilidad [12]. El modelo de la red Myc /E2F /miR-17-92 también debe dar cuenta de múltiples retrasos de tiempo.