PLoS ONE: MicroRNA-medieret positiv spiral og optimeret Bistabil Skift i en Cancer Network Inddragelse miR-17-92

abstrakt

MikroRNA’er (miRNA) er små, ikke-kodende RNA, som spiller en vigtig rolle i mange vigtige biologiske processer, herunder udvikling, celledifferentiering, cellecyklus og apoptose, som centrale post-transkriptionelle regulatorer af gen udtryk. Nylige undersøgelser har vist, at miRNA kan fungere som onkogener og tumor suppressorer afhængigt af sammenhængen. Den foreliggende arbejde fokuserer på den fysiologiske betydning af miRNA og deres rolle i reguleringen af ​​switching adfærd. Vi illustrerer en abstrakt model af Myc /E2F /miR-17-92-netværk præsenteret af Aguda et al. (2008), som er sammensat af kobling mellem de E2F /Myc positiv feedback loops og E2F /Myc /MIR-17-92 negativ feedback loop. Ved systematisk at analysere nettet i tæt samarbejde med plausible eksperimentelle parametre, viser vi, at, i nærværelse af miRNA, systemet bistabilitet kommer ud af systemet, med en bistabil omskifter og en envejs switch præsenteret af Aguda et al. i stedet for en enkelt-vejs switch. Desuden kan de miRNA optimere skiftet. Modellen producerer en bred vifte af respons-signal adfærd som reaktion på forskellige potentielle regulerende scenarier. Modellen forudsiger, at der eksisterer denne overgang, en fra celledød eller kræft fænotype direkte til celle hvile, på grund af eksistensen af ​​miRNA. Det blev også konstateret, at netværket involverer miR-17-92 udviser høj støj følsomhed på grund af en positiv spiral, og også fastholder modstand mod støj fra en negativ feedback loop

Henvisning:. Li Y, Li Y, Zhang H, Chen Y (2011) MicroRNA-medieret positiv spiral og optimeret Bistabil Skift i en Cancer Network Inddragelse miR-17-92. PLoS ONE 6 (10): e26302. doi: 10,1371 /journal.pone.0026302

Redaktør: Richard James Morris, John Innes Centre, England

Modtaget: Februar 23, 2011; Accepteret: September 23, 2011; Udgivet: 14 oktober 2011

Copyright: © 2011 Li et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (Grant nr 10.975.063, 30.870.364), High Technology Research og Development program Kina (863 program, Grant No. 2007AA021807), og nøglen Technology R D program for Gansu-provinsen ( Grant Nej 0708NKCA129). De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

MikroRNA’er (miRNA) er små, endogene ikke-kodende RNA-molekyler, typisk nukleotider (nt) i længden. Traditionelt blev miRNA menes at være en uønsket klasse af små RNA, som kun tjente en relevant funktion i nonmammalian arter. I 1993 Ambros og kolleger fandt, at lin-4-genet ikke koder for et proteinprodukt, men giver anledning til en 61-nt precursor gen, der modnes til en mere rigelige 22-nt transkript i modelorganismen

Caenorhabditis elegans

[1]. Den Ruvkun laboratorium observeret, at lin-14 proteinsyntese reguleres post-transkriptionelt og at lin-14 niveauer er omvendt proportional med de af lin-4-RNA [2]. Således er de afslørede den første miRNA og mRNA target interaktion, hvor lin-4-RNA har sekvenskomplementaritet til den utranslaterede region i lin-14-genet. I øjeblikket har der været over miRNA identificeret og offentliggjort i offentlige databaser (miRBase database, https://microrna.sanger.ac.uk). Disse miRNA er blevet identificeret i dyr, planter og virus og er involveret i reguleringen af ​​en række biologiske processer.

Ved post-transkriptionelt nedregulere genekspression, det er i øjeblikket forudsagt, at miRNA regulere op til af humane gener og deres mål omfatter signalproteiner, enzymer og transskriptionsfaktorer [3]. Mangfoldigheden og overflod af miRNA mål medføre miRNA spiller vigtige roller i næsten alle grundlæggende cellulære processer, såsom udviklingsmæssig timing, celleproliferation, apoptose, stamcelle vedligeholdelse, differentiering, signalveje, og patogenese herunder carcinogenese [4] – [6] . Det er bemærkelsesværdigt, at ca. halvdelen af ​​de kendte miRNA er beliggende i eller tæt på skrøbelige steder og i minimale regioner af tab af heterozygositet, minimale regioner af amplifikationer, og fælles breakpoints forbindelse med cancer [7]. Nylige undersøgelser har vist, at miRNA er involveret i initiering og progression af en række forskellige cancertyper og kan fungere som onkogener eller tumorsuppressorer afhængigt af vævet og ekspressionsniveauet af deres mål [8], [9].

Det er klart, miRNA kan ikke uafhængigt udføre en enkelt opgave i celler. I stedet miRNA regulerer mobilnetværk som netværkskomponenter i mange cellulære funktioner. Faktisk menes det, at miRNA føre til mere effektiv støj buffering [10], [11]. Desuden Agudath et al. fandt, at MIR-17-92 spiller en onkogen rolle i en indstilling, men undertrykker tumordannelse i et andet scenario [12]. Her er der to endelige, faktorer, at definitionen af ​​den postulerede kræft zone og switch adfærd af systemet dynamik [12]. Bemærk, at Myc /E2F /MIR-17-92 netværk er sammensat af to tilbagekoblingssløjfer: en positiv selv-feedback loop for protein modul (Myc /E2F) og en negativ effekt mellem miRNA og proteinet (figur 2 i [12 ] eller figur S1). Dette netværk vises en typisk bistabil omskifter adfærd og en ensrettet switch svarende til bistabilitet og monostablility henholdsvis [12]. Faktisk er en enkelt positiv feedback loop uden miRNA er nok til at realisere en bistabil omskifter. Derfor er det interessant at undersøge den fysiologiske betydning af miRNA eller hvorfor kræftnetværk kræver miRNA regulering og bidragene fra miRNA.

For at undersøge dette spørgsmål, fokuserer vi her på en abstrakt model af Myc /E2F /miR -17-92 netværk beskrevet af Aguda et al. [12] og nuværende simuleringer med eksperimentelle parametre. Vores resultater viser, at eksistensen af ​​miRNA forbedrer evnen af ​​bistabile omskiftere ved systemerne. For single-loop switch, er der en såkaldt hurtig /langsom loop at beskrive de hurtig /langsom respons kinetik for aktivering og inaktivering [13]. Normalt enkelt fast-loop switch opnår mere hurtige svar. Desuden har vi også fundet, at miRNA kan mediere systemet mellem en fast loop og en langsom loop grund af de forskellige koefficienter for nedbrydning for MIR-17-92 og E2F’ere /Myc (almindeligvis miRNA er mere stabilt end protein), og kan sprede svar opførsel af systemet til input stimulus. Især den udæmpede afslapning oscillation opførsel af systemet indikerer en mulig tilstand digital regulering. Endvidere switching adfærd af netværket involverer MIR-17-92 er både følsom over for stimuli, og modstandsdygtige over for udsving i stimulus. Vores fund viser, at miRNA spiller en central rolle i muligheden for at opnå en følsom robusthed i biologiske systemer.

Resultater

Model Formulering

Ved at følge pattedyr G1-S regulatoriske netværk, den essentielle abstrakte struktur af Myc /E2F /mIR-17-92-netværk er illustreret i figur 1. betegner proteinet modul (Myc og E2F’ere), og er den miRNA klynge modul (se ref. [12] eller figur S1 for den detaljerede proces reduktion). Den positive feedback loop i modul betegner en autokatalytisk proces, som også inhiberes af modulet. Samtidig, inducerer transskription af.

og betegne proteinet modul (Myc og E2F’ere) og miRNA klyngen, henholdsvis.

Dynamikken i de respektive koncentrationer af og beskrives ved følgende ordinære differentialligninger [12] 🙁 1) (2) hvor og betegner koncentrationerne af og hhv. beskriver den konstitutive protein ekspression fra signaltransduktionsvej i det ekstracellulære medium og eksperimentelt styres i celledyrkningsmediet. afbilder -uafhængige konstitutiv transkription af. og er de koefficienter for forringelse. er den konstante af protein ekspression, og er hastighedskonstanten. er koefficienten af ​​protein-ekspression, og er et mål for miRNA inhibering af protein-ekspression.

Under en række nondimensionalizing processer [12], EQS. (1) og (2) kan omskrives til: (3) (4) Her, og. Generelt er mindre end fordi miRNA er mere stabil end protein. lades variere i intervallet. De eksperimentelt kontrollerbare parametre og varierer fra og henholdsvis [12], [14], [15]. Den sidste parameter er indstillet som. Processen med at udlede de dimensionsløse parametre er præsenteret i tekst S1.

Steady stater, En-vejs switche og bistabile Skifter

Indstilling ligning. (3) og (4) lig med nul og løse for rødderne af algebraiske ligninger fra højre side, vi opnå de stationære tilstande i modellen. Som vist i [12], findes der følgende forhold: (5) hvor og repræsentere de stationære tilstande af og henholdsvis (se eksplicitte løsninger i tekst S2). Bemærk, at der kun er en konstant forskel mellem og. Endvidere betegner dimensionsløs koncentration af protein E2F’ere og Myc, som er direkte korreleret med onkogen eller tumor suppression. Således præsenterer vi kun resultaterne af og i den følgende sammenhæng.

På grund af den positive feedback i modul, dette system udviser et skifte adfærd, og den har to stabile fikspunkter i den relevante parameter regime [16] . Steady-state bifurkationsdiagrammer som en funktion af parameteren for forskellige værdier af er præsenteret i de øverste paneler af figur 2. I betragtning af de fysiologiske begrænsninger bør den vandrette akse være større end og ender ved en maksimal værdi på. Det er klart, det viser også de onkogene og tumor suppressor egenskaber af MIR-17-92, hvor begrebet kræft zone [12] (se figur 2A-D). Bemærk, at falder med faldende til fast og. Derfor er den positive feedback loop har en lignende modsat regulering funktion af miRNA.

(øverste paneler) og fasediagrammer (nederst paneler) ved at skifte adfærd. Styrken af ​​dimensionsløse måling af miRNA inhibering øges fra til og (fra venstre kolonne til højre en). I bundpanelerne, den røde stiplede linjer angiver intervallet for proteinekspression konstant, fra til. Det er klart, er systemet væsentligt forbedret med hensyn til evnen af ​​vippekontakten med inddragelse af miRNA inhibering. Her,.

I tilfælde af en bistabil omskifter, systemet udviser hysterese, hvilket er en egenskab af bistabile systemer. For nemheds skyld, betegner vi den nedre /øvre steady state (lavere /højere proteinkoncentration) som off /on tilstand. Som et eksempel, i figur 2A, som stiger langs den nedre stabile gren, forbliver i off-tilstand, indtil. Når forøges yderligere, off-tilstanden forsvinder, og omskifteren bevæger sig mod den øvre stabile gren, der svarer til on-tilstanden. Så, hvis vi falde, kontakten bevæger sig langs den øvre stabile gren indtil, og derefter en overgang bringer kontakten tilbage til off-tilstanden. Men systemet fungerer, også som en ekstrem manifestation af hysterese, en en-vejs omskifter, hvor on-tilstanden grene i det negative domæne, men faktisk elimineres på grund af en fysisk meningsfuld begrænsning (f.eks, i figur 2A og, i Figur 2B).

det er velkendt et bistabilt region er omsluttet af to saddel-node bifurkations punkter (venstre og højre knæ kurverne i de øverste paneler af figur 2). For nogen værdier i denne region, at systemet har to stabile opløsninger og en ustabil én. De nederste paneler af figur 2 giver diagrammer hele fase af switch adfærd, herunder bistabile og en-vejs afbrydere og en monostabil region for forskellige værdier. Ved at øge styrken af ​​den positive feedback, systemet undergår en overgang fra monostability til en bistabil omskifter og derefter til en én-vejs switch. Parameteren udviser en lignende indflydelse. Når vi øger overgangen begynder med en en-vejs skifte til en bistabil switch og derefter til monostablility. Som for dimensionsløs parameter af miRNA inhibering, det reducerer skift-regionen indesluttet i den effektive domæne af (fra til, betegnet med to røde stiplede linjer). Imidlertid bør det bemærkes, at systemet kun har én-vejs skifte adfærd uden (se figur 2E). Den effektive område af det bistabile kontakten ekspanderes ved at øge styrken af ​​(fig 2E-H). Ellers for højere værdier af, at systemet altid er monostabil, men i tilfælde af lavere værdier, systemet producerer forskellige dynamiske adfærd med eksistensen af.

Bemærk, at der eksisterer en cancer zone mellem niveauerne forbundet med normal cellecyklus og apoptose, en række Myc og E2F niveauer med forøget sandsynlighed for at inducere cancer (se Figur S2 eller figur 3, 6 i [12]). Generelt slukket tilstand betegner celle hvile og on-stater repræsentere andre processer (cellecyklus, kræft zone, og celle apoptose). I alle tilfælde er forordningen pålagt af miRNA eller den positive feedback loop begrænset til den øvre tilstand, fra cellecyklus til kræft zone og til celle apoptose eller den inverse rækkefølge (se figur 2 og figur 6 i [12]). Overvejer en perturbation af sammen on-tilstanden af ​​en enkelt bistabil omskifter, skifter en smule. For systemet næsten forbliver i on-tilstand, fordi der kun eksisterer én-vejs kontakt (Faktisk er sandsynligheden for at overføre til en anden celle status er også meget lav. Se figur 2A.) Imidlertid for (eksistensen af ​​miRNA ), er det muligt at vende tilbage til celle hvile på grund af det bistabile kontakt (fig 2B-D). Det betyder, at miRNA fører til tilbagevendende proces fra on-tilstanden til off-tilstanden. Således miRNA giver to mulige regulering veje, fra celle apoptose eller kræft zone til celle hvile (Figur S3).

. Styrken af ​​positiv feedback er sat til, og styrken af ​​negativ feedback øges fra 1,0 til 1,2 og 1,6 fra venstre mod højre. Parameter og. De øvre rækker viser tidsforløbet for reaktionen på (A og B) pulsindgangen, for og for andre, eller (C) en konstant stimulus med, hvor den røde stiplede linjer angiver indgangssignalet. De nedre rækker viser den tilsvarende bifurcation diagram, hvor /betegner sadel punkt og /betegner en Hopf bifurkation. Det er klart, at systemet undergår overgange fra bistabilitet til ophidselse og afslapning svingning med stigende.

Diversificering af Signal-respons Behaviors

Som vist i figur 2, fremkomsten af ​​hæmning af miRNA inducerer diversificering af systemets dynamik i de fysiologiske regioner. Faktisk undertrykkelsen af ​​ved udbytter negativ feedback (se figur 1). Dette system, der består af positive og negative feedback, er en fleksibel motiv, der kan udvise forskellige adfærd [17], [18]. Det er allerede blevet vist, at den negative feedback gør svingning mulig [19], [20]. Her viser vi, at systemet kan udvise forskellige signal-respons adfærd svarende til de forskellige ordninger i figur 2F-H.

For enhver fast styrke de positive tilbagemeldinger, opførsel af systemet er anderledes for varierende ( se bundpanelerne i figur 2). Med og fra 1,0 til 1,2 og 1,6, Figur 3 viser, at reaktionen af ​​systemet til indgangssignalet er indstillet ved. Den øverste række viser tiden udviklingen under input stimulus, og den nederste række afbilder den tilsvarende bifurkation diagram af systemet. De faste og stiplede linier angiver stabile og ustabile stabile tilstande, hhv. /Betegner en sadel-node forgrening og /repræsenterer en Hopf forgrening. Input stimulus er en puls med undtagelse af, når det er 0,16 fra tid 20 til 25 i figur 3A og 3B, men det altid er konstant ved i figur 3C. Startværdierne bruges var og.

Først i tilfælde af, at systemet opfører sig irreversibelt. Under puls input, systemet afregner til on-tilstand og kan ikke vende tilbage til den oprindelige off-tilstand (figur 3A). Denne adfærd er typisk for en envejs kontakten (figur 3D). Som øges til 1,2, styrken af ​​pulsindgangen er i området mellem og (figur 3E). I dette tilfælde er der tre stabile tilstande, men kun den nederste tilstand (off-tilstand) er stabil, mens de andre (de øvre og mellemste dem) er ustabile. Systemet udviser uro hvor først drevet til on-tilstanden på grund af ustabilitet fra pulsindgangen og derefter fuldstændig genvinder den oprindelige off-tilstanden efter en kort forskydning (figur 3B). Således modelsystemet genererer også en stor amplitude forbigående puls til at reagere på pulsindgangen.

Når forøges yderligere og styrken af ​​den konstante stimulus er mellem to Hopf bifurkations punkter og, kommer ind i systemet i grænsen -cycle svingninger (se figur 3C og 3F, og den respektive 3-dimension bifurkation i fig S4). stiger gradvist og falder derefter hurtigt efter at have nået et maksimum, og cyklussen gentages. Som vi alle ved, den udæmpede afslapning svingning er en periodisk proces, hvor langsom jævn ændring af tilstanden af ​​et objekt over et endeligt tidsinterval er afvekslende med hastige uregelmæssig ændring af tilstand under en uendelig kort tid. Da van der Pol præsenterede det klassiske eksempel på en endimensional system med afslapning svingninger [21], overholdes disse oscillerende processer i mange virkelige mekaniske, radiotekniske, biologiske, laser fysiske etc., objekter. Så en sådan svingning er en type af udæmpet afslapning oscillation. Især er der ingen tidsforsinkelse i den seneste grænse-cyklus oscillation system. Det betyder, at denne oscillation skyldtes hysterese induceret af den positive feedback [22], [23].

Som anført i figur 3A og 3D, at systemet udviser en fundamental fænomen i naturen, den såkaldte bistabilitet . Et bistabilt system er i stand til at hvile i to tilstande, der ikke behøver at være symmetriske. Det afgørende kendetegn ved bistabilitet er simpelthen, at to stabile tilstande (Minima) er adskilt af en barriere (lokalt maksimum). For eksempel til et ensemble af partikler, den bistabilitet kommer fra det fri energi har tre kritiske punkter. To af dem er minima, det sidste er et maksimum. Men figur 3B og 3E viser ophidselse af systemet. Fælles for alle overgearet systemer er eksistensen af ​​en hviletilstand, en ophidset (eller fyring) tilstand, og en ildfast (eller nyttiggørelse) tilstand, såsom handling potentiale i neurale systemer. Systemet er i nærvær af en stabil og en eller flere ustabile faste punkter. Hvis uforstyrrede, systemet består i hviletilstanden; små perturbationer kun medføre en lille amplitude reaktion fra systemet. For en tilstrækkelig stærk stimulus (fx større end værdien af ​​i figur 3E), systemet kan forlade hviletilstanden, går gennem fyring og ildfaste stater og derefter kommer tilbage til hvile igen [24].

Som illustreret ovenfor, med stigende systemet undergår en overgang fra bistabilitet til ophidselse og udæmpede afslapning svingning uden tidsforsinkelse. Vi foreslår, at der er en sandsynlighed for at lave forskellige signal-respons adfærd ved at kombinere inhiberingen af ​​miRNA og eksperimentelt afstemmelige parameter. Figur 4 giver et overblik over den justerbarhed ved hjælp af fase diagram af systemets dynamik i flyet med. Hovedparten diagram består af fire slags dynamik: monostability, bistabilitet, uro, og udæmpede afslapning svingning, hvor grænserne mellem disse dynamikker (faste linjer i figur 4) er sadel-node og Hopf bifurkations punkter hhv. Vi kan ikke observere codimension 2 eller andre højere codimension bifurkationer i vores studerede parameter sortiment. Det er indlysende, at værdierne af og kan samvirkende tunet i de tilsvarende regioner for at opnå ønskelig adfærd og funktioner. I virkeligheden, når vi fastsætter nogen parameter, og de andre kan udføre lignende synergistisk funktion til at opnå de forskellige respons adfærd (se figur S5).

og med,. Hovedparten diagram af dynamiske adfærd af systemet er sammensat af fire regioner: monostability, bistabilitet, uro, og udæmpede afslapning svingning. De røde og blå cirkler på grænser betegner sadel-node og Hopf bifurcationer henholdsvis.

Faktisk en enkelt positiv spiral med ultrasensitivity er i stand til at fungere som en bistabil omskifter og en enkelt negativ feedback loop med en tidsforsinkelse kan producere en vedvarende svingninger [25] – [27]. Men et motiv samlet ved en positiv loop og en negativ løkke ikke kun udfører de begge funktioner uden at ændre topologiske struktur, men præsenterer også overgearet opførsel. Bemærk, at de to sidste adfærd skyldes den negative feedback loop af miR-17-92, fordi der kun kan være en-vejs switche uden miRNA (figur 2A). Disse signal-respons adfærd tilbyde forskellige regulerende muligheder. Den oscillation (impulser) kunne give potentielle præcis regulering, såsom digitale reaktion af p53 til DNA-skader [28], [29].

Optimeret Bistabil Switch

Ifølge ligning. (3-4), den dimensionsløse parameter er en tidskonstant for aktivering og inaktivering af og bestemmer, om kontakten er hurtig eller langsom. Bemærk, er forholdet mellem nedbrydningshastigheden for E2F’er og Myc for MIR-17-92. Følgelig kan skifte adfærd proteinkoncentrationen fra den positive feedback loop også repræsenteres som indbyrdes forbundne dual-time feedback loops [13], [30], [31].

Figur 5 illustrerer skift-responser af systemet til to forskellige tidskonstanter og et skridt stimulus med eller uden udsving. Den basale styrke stimulusstyrken er sat til, hvor systemet er indledningsvis i off-tilstanden, og derefter hopper til på tidspunktet svarende til on-tilstanden af ​​systemet. Panelerne i venstre spalte angiver stimulusinputtet, hvor nederste venstre panel svarer til en svingende miljø beskrevet af Gaussisk hvid støj med middelværdi og varians (figur 5A, 5D). Den midterste og højre søjler viser svaret fra switch til og Hhv. I alle de tilfælde, systemet med en mindre stiger hurtigt i den indledende fase og reagerer meget hurtigere end den langsommere løkke. Udsving amplitude for større værdier er meget mindre end den hurtigere sløjfe (fig 5E, 5F). Dvs. den fast loop er kritisk for switching følsomhed, men den langsomme loop forøger switching stabilitet til at modstå stimulus udsving. Desuden hæmning af miRNA også bremser skiftet, især i nærheden af ​​on-tilstand, og effektivt undertrykker svingninger (figur 5B og 5C, figur 5E og 5F).

(A) hoppe stimulus input fra at på tidspunktet. (B) Reaktionerne i ordningen for en fast loop (rød) og en slow loop (blå), hvor. (C) Det samme som (B), men med. (D) Det samme som (A), men med en påtvunget udsving, hvor er Gaussisk hvid støj med varians og betyde, og er den samme som i (A). (E-F) Det samme som (B) og (C), henholdsvis. Alle simulationer brugt og.

For at klart undersøge skift robusthed over for udsving i stimulus, bruger vi definitionen af ​​den del af overgangen [17], [30]. Systemet drives af den samme støjende stimulus med forskellige frø, hvor og er Gaussisk hvid støj. I første omgang, vi afgjort på en population af celler i on-systemets tilstand, med nogle celler, der kan vende til off-tilstand på grund af en støj-induceret switch. er defineret som forholdet mellem antallet af celler i overgangstilstanden til antallet af alle celler på hvert tidspunkt. Desuden kan man definere den nødvendige tid til at nå frem til midtpunktet mellem sine indledende og steady state-værdier som den såkaldte responstid.

Figur 6 viser de tidsforløb for for, og. For mindre værdier, det tager forholdsvis lang tid for at opnå en mindre stabil tilstand. Vi betegner som værdien af ​​steady state af. Som eksempel og for, hvilket betyder, at de fleste af cellerne stadig er fanget i on-tilstanden i lang tid. I tilfælde af, og indikerer, at et betydeligt antal celler () har vendt til off-tilstanden og tager mindre tid at nå den stabile tilstand for.

Hver tidsforløbet repræsenterer udviklingen i den del, der har skiftet mindst én gang til off-tilstanden, til en samling af celler. Her er de parametre,,,, og en Gaussisk hvid støj med varians.

Derudover viser vi den del af overgangen og responstiden som funktioner af for forskellige og værdier i figur 7. I simuleringerne, alle celler oprindeligt afgjort i on-tilstand. Udsvinget af følger en Gaussisk hvid støj med varians. Med stigende, falder fra til, men også øger hurtigt i tilfælde af. Især i flipping region, falder, når vejret, som det kan på lignende måde observeres i figur 6. Disse skiftende adfærd skyldtes bindingen mellem on-tilstanden og off-tilstanden faldende hvornår eller stigninger i området af det bistabile kontakten (se den dynamiske diagram af

vs

, figur S6).

(a) Steady værdier af den del af overgangen fra den indledende on-tilstand til den off-tilstand som funktion af for. (B) Det samme som (A) for. (C-D) Responstiden

vs

for og Hhv. Alle de simuleringer anvendes, og en Gaussisk hvid støj med varians.

Bemærk, der er i den venstre kolonne af figur 7 og er i den rigtige. Naturligvis, for mindre værdier af (fast loop) og større værdier af eksisterer der et større område, eller for hvilke næsten alle celler er fanget i on-tilstand (). I det kritiske i fra til, at spejlvende proces med små værdier er mindre følsom overfor end med større (figur 7a og 7b). Hertil kommer, for små værdier er betydeligt mindre end for de større (figur 7C og 7D).

cellulære processer er i det væsentlige stokastisk og forekommer i en svingende miljø [32]. En lille forstyrrelse i stimulus input kunne forstærkes af positiv feedback [33], [34]. (Nogle gange kan positiv feedback arbejde som en støj-filtrering enhed [35]). Derudover kan støj-induceret switching adfærd inducere en falsk beslutning vedrørende celleskæbne (tilfældet i figur 5E). Ved at inddrage den negative feedback loop af miRNA, Myc /E2F /miR-17-92 kræft netværk fungerer som en dual-tid omskifter forbundet af hurtige og langsomme positive sløjfer. Hele systemet udviser høj støj følsomhed i off-tilstand på grund af den hurtige reaktion i den positive loop, som reguleres af forholdet mellem miRNA og protein nedbrydningshastigheder (bemærk, at det ofte meget mindre end). Samtidig er systemet er modstandsdygtigt over for støj, når det er i on-tilstand som følge af den negative feedback.

Discussion

Det er blevet rapporteret, at MIR-17-92 opfører sig som et onkogen og et tumor suppressor afhængigt af forskellige situationer [36], [37]. For første gang, Agudath et al. analyserede den reducerede model af koblingen mellem E2F /Myc positiv feedback loops og E2F /Myc /MIR-17-92 negativ feedback loop. De viste, at MIR-17-92 spiller en kritisk rolle i reguleringen af ​​proteinniveauer (on /off). Mest vigtigt, de demonstrerede de parallelle onkogene og tumor suppressor egenskaber af MIR-17-92, hvor begrebet, cancer zone (figur S2 eller figur 3 i [12]). Ved at betragte de bistabile skifte adfærd, Aguda et al. [12] forudsagde, at øge miRNA niveau driver E2F /Myc niveau i normal cellecyklus at indtaste kræft zone (onkogen, tilfælde a), eller driver protein niveauer for at afslutte kræft zone og ind i cellen apoptose (tumor suppressor, tilfælde b), og omvendt (se figur S2 eller figur 3 i [12]). Den reducerede abstrakt model af Myc /E2F /MIR-17-92-netværk er typisk forbundet ved positiv og negativ feedback loops (figur 1). Et bistabilt-system med indbyrdes forbundne sløjfer er blevet illustreret i gæren galactose-udnyttelse netværk [38], [39], den mitogenaktiveret proteinkinase 1,2 /protein kinase C signalering netværk [40], [41], døgnrytmen ure [ ,,,0],42], [43], den eukaryote cellecyklus [44], [45], p53-Mdm2 netværk [29], og så videre. Det er blevet vist, at et system med indbyrdes forbundne løkker opfører sig som en afstemmelig motiv og udfører forskellige adfærd [17]. Den væsentlige dynamiske i Myc /E2F /MIR-17-92 netværk er en bistabil omskifter, som kun kan realiseres ved en positiv feedback loop uden miRNA (figur 2A). Således den fysiologiske betydning af miRNA stadig uklar. Nærværende arbejde er baseret på den hypotese, at miRNA er afgørende at optimere skift adfærd Myc /E2F /miR-17-92-netværk, og vi fokuserer på den rolle, miR-17-92 på respons-signal adfærd uden eller med støj.

i dette papir, ved hjælp af simulering parametre, som er biologisk plausibelt, vi har vist, at systemet repræsenterer forskellige adfærd (monostability, en bistabil omskifter, en envejs switch) i stedet for en simpel en- vejs switch på grund af eksistensen af ​​miR-17-92 (se figur 2E-H. den bistabile regionen er også større med miRNA til stede). Som følge heraf er systemet i stand til at frembringe en bred vifte af signal-respons adfærd med egnede kombinerede parametre (figur 3A-C). Specielt finder vi, at på grund af eksistensen af ​​miR-17-92, intervallet (parameter) af normale cellecyklus er udvidet og denne overgang (fra celledød /kræft til hvile) er formentlig realiseret ved støj-induceret switche. Desuden kan responstiden konstant af proteinet modulet reguleres af miRNA nedbrydningshastigheden (i figur 5B-C). Myc /E2F /MIR-17-92 netværket kan køre som en dual-kontaktur (indbyrdes forbundne hurtige og langsomme positive loops) og synes at være mere følsomme over for stimuli og modstandsdygtig over for stimulerende svingninger (fig 5E-F og figur 6). Det betyder, at miR-17-92 kan udføre bestræbelser på at optimere den bistabile switch hvor miR-17-92 giver signalering robusthed (for at begrænse uønskede signalsystemer udsving, buffering effekt) og opnår optimal signalering effekt (balancerende virkning).

Desuden processer i gen reguleringssystemer er typisk underlagt store forsinkelser fremkaldt af underliggende biokemiske reaktioner. Tid forsinkelser i kombination med en positiv /negativ feedback loop kan fremkalde vedvarende svingninger og multistability [12]. Den model af Myc /E2F /miR-17-92-netværk skal også redegøre for flere forsinkelser.