Abstract

Os microRNAs (miRNAs) são pequenos RNAs não codificantes, que desempenham um papel importante em muitos processos biológicos fundamentais, incluindo o desenvolvimento, diferenciação celular, o ciclo celular e apoptose, como reguladores pós-transcricional centrais do gene expressão. Estudos recentes têm mostrado que miARN pode actuar como oncogenes e supressores tumorais, dependendo do contexto. O presente trabalho centra-se no significado fisiológico de miRNAs e do seu papel na regulação do comportamento de comutação. Nós ilustramos um modelo abstrato da rede Myc /E2F /miR-17-92 apresentado por Aguda et al. (2008), que é composto de acoplamento entre os loops de feedback positivo E2F /Myc e o ciclo de feedback negativo E2F /Myc /miR-17-92. Ao analisar sistematicamente a rede em estreita associação com parâmetros experimentais plausíveis, mostra-se que, na presença de miARN, a bi-estabilidade do sistema emergem a partir do sistema, com um interruptor biestável e um comutador de sentido único apresentado pelo Aguda et ai. em vez de um interruptor de uma via única. Além disso, os miRNAs pode otimizar o processo de mudança. O modelo produz uma matriz diversificada de comportamentos de sinal de resposta em resposta a vários cenários de regulação potenciais. O modelo prediz que existe esta transição, uma a partir de morte celular ou do fenótipo canceroso directamente para a célula quiescência, devido à existência de miARN. Constatou-se também que a rede envolvendo miR-17-92 apresenta alta sensibilidade de ruído devido a um loop de feedback positivo e também mantém a resistência ao ruído de um loop de feedback negativo

Citation:. Li Y, Li Y, Zhang H, Chen Y (2011) Mediada por MicroRNA retroalimentação positiva e otimizado Chave biestável em uma rede de cancro envolvendo miR-17-92. PLoS ONE 6 (10): e26302. doi: 10.1371 /journal.pone.0026302

Autor: Richard James Morris, John Innes Centre, Reino Unido

Recebido: 23 de fevereiro de 2011; Aceito: 23 de setembro de 2011; Publicação: 14 de outubro de 2011

Direitos de autor: © 2011 Li et al. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença Creative Commons Attribution, que permite uso irrestrito, distribuição e reprodução em qualquer meio, desde que o autor original ea fonte sejam creditados

Financiamento:. Este trabalho foi apoiado pelo National Natural Science Foundation da China (Grant No. 10975063, 30870364), o programa de alta Tecnologia de Pesquisa e Desenvolvimento da China (863 programa, Grant No. 2007AA021807), e a chave Tecnologia R D programa da província de Gansu ( Grant No. 0708NKCA129). Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta de dados e análise, decisão de publicar ou preparação do manuscrito

CONFLITO DE INTERESSES:.. Os autores declararam que não existem interesses conflitantes

Introdução

Os microRNAs (miRNAs) são pequenas, endógenos moléculas de RNA não-codificantes, tipicamente nucleótidos (nt) de comprimento. Tradicionalmente, os miRNAs foram pensados ​​para ser uma classe indesejável de pequenos RNAs que só serviram uma função relevante em espécies não mamíferos. Em 1993, Ambros e colegas descobriram que o gene lin-4 não codifica um produto proteico, mas dá origem a um gene precursor de 61-nt que amadurece a uma mais abundante transcrição de 22 nt no organismo modelo

Caenorhabditis elegans

[1]. O laboratório Ruvkun observou-se que a síntese de proteínas lin-14 é regulada pós-transcricionalmente e que lin-14 os níveis são inversamente proporcionais aos dos lin-4 ARN [2]. Assim, eles revelaram o primeiro miARN e ARNm de interacção alvo, em que o ARN lin-4 tem complementaridade de sequência com a região não traduzida do gene lin-14. Atualmente, houve mais de miRNAs identificados e publicados em bases de dados públicas (banco de dados miRBase, https://microrna.sanger.ac.uk). Estes miARNs foram identificados em animais, plantas e vírus e está envolvida na regulação de uma variedade de processos biológicos

.

por pós-transcricionalmente baixo-regulação da expressão de genes, que é actualmente prevista que miARNs regular-se a de genes humanos e os seus alvos incluem proteínas de sinalização, enzimas, factores de transcrição e [3]. A diversidade e abundância de alvos de miRNA resultar em miRNAs que desempenham papéis importantes em processos celulares quase todos fundamentais, tais como o tempo de desenvolvimento, proliferação celular, apoptose, caule manutenção celular, diferenciação, vias de sinalização, e patogénese incluindo carcinogênese [4] – [6] . É notável que cerca de metade dos miRNAs conhecidos estão localizados dentro ou perto de locais frágeis e em regiões mínimos de perda de heterozigosidade, regiões mínimas de amplificações e pontos de interrupção comuns associados com o cancro [7]. Estudos recentes têm mostrado que miARNs estão envolvidos na iniciação e progressão de uma variedade de cancros e pode funcionar como oncogenes ou supressores tumorais, dependendo do nível de expressão tecidual seus alvos e [8], [9].

Claramente, miARNs não pode executar uma única tarefa independentemente nas células. Em vez disso, miARNs regular redes celulares como os componentes da rede em muitas funções celulares. Na verdade, acredita-se que miRNAs levar o ruído de armazenamento, a mais eficaz [10], [11]. Além disso, Aguda et ai. descobriram que miR-17-92 desempenha um papel oncogênico em um cenário, mas suprime a formação de tumor em um cenário diferente [12]. Aqui, existem dois factores determinantes, a definição da zona de cancro postulado e os comportamentos de comutação da dinâmica do sistema [12]. Note que o /E2F /miR-17-92 rede Myc é composto por dois loops de feedback: um ciclo auto-feedback positivo para o módulo de proteína (Myc /E2F) e um loop negativa entre o miRNA e a proteína (Figura 2 em [12 ] ou Figura S1). Esta rede é exibido um comportamento típico interruptor bi-estável e um interruptor de ida correspondente ao bi-estabilidade e monostablility, respectivamente [12]. Na verdade, um único ciclo de feedback positivo, sem miRNA é suficiente para perceber um interruptor bi-estável. Por isso, é interessante investigar o significado fisiológico de miRNAs ou por redes de câncer exigem regulação miRNA e as contribuições de miRNAs.

Para analisar esta questão, vamos nos concentrar aqui em um modelo abstrato do Myc /E2F /miR -17-92 rede descrita por Aguda et ai. [12] e apresentam simulações com parâmetros experimentais. Os nossos resultados mostram que a existência de miARN melhora a capacidade dos interruptores biestáveis ​​nos sistemas. Para o interruptor de circuito único, há uma chamada rápida de loop /lenta para descrever a cinética de resposta rápida /lenta para a activação e inactivação [13]. Normalmente, o interruptor de fast-circuito único alcança respostas mais rápidas. Além disso, também descobrimos que miARN pode mediar o sistema entre um ciclo rápido e um circuito lento devido aos diferentes coeficientes de taxa de degradação de miR-17-92 e E2F /Myc (em geral, miARNs é mais estável do que a proteína), e pode diversificar o comportamento de resposta do sistema para o estímulo de entrada. Especialmente, o comportamento de relaxamento de oscilação não amortecida do sistema indica um possível modo de regulação digital. Além disso, os comportamentos de comutação da rede que envolve o miR-17-92 é tanto sensíveis a estímulos e resistentes a flutuações de estímulo. Nossa descoberta mostra que os miRNAs desempenham um papel fundamental na possibilidade de conseguir uma robustez sensíveis em sistemas biológicos.

Resultados

Modelo Formulação

Seguindo o mamífero G1-S regulamentar de rede, a estrutura essencial do sumário Myc /E2F /miR-17-92 rede é ilustrada na Figura 1. representa o módulo de proteína (myc e E2F), e é o módulo de cluster miARN (ver Ref. [12] ou Figura S1 para o processo de redução detalhada). O circuito fechado de realimentação positiva no módulo representa um processo autocatalítico, que também é inibida por módulo. Ao mesmo tempo, induz a transcrição de.

e denotam o módulo de proteína (myc e E2F) e o agrupamento de miARN, respectivamente.

A dinâmica das respectivas concentrações de e são descritos pelas seguintes equações diferenciais ordinárias [12] 🙁 1) (2) onde e denotam as concentrações de e, respectivamente. descreve a expressão constitutiva da proteína a partir da via de transdução de sinal no meio extracelular e é controlado experimentalmente em meio de cultura celular. descreve a transcrição constitutiva de -independente. e são os coeficientes de taxa de degradação. é a constante de expressão de proteína, e é a constante de velocidade. é o coeficiente da expressão da proteína, e é uma medida da inibição da expressão da proteína de miARN.

De acordo com uma série de processos nondimensionalizing [12], Eqs. (1) e (2) pode ser reescrita como: (3) (4) Aqui,,, e. Em geral, é inferior a miARN porque é mais estável do que a proteína. é permitido a variar na gama de. Os parâmetros experimentalmente controlável e pode variar de e, respectivamente [12], [14], [15]. O último parâmetro é definido como. O processo para deduzir os parâmetros adimensionais é apresentado em S1 texto.

estados estacionários, Interruptores de sentido único, e interruptores biestáveis ​​

definição de NQA. (3) e (4) igual a zero e resolvendo para as raízes das equações algébricas a partir dos lados do lado direito, obtém-se os estados estáveis ​​do modelo. Como mostrado em [12], existe a seguinte relação: (5) onde e representam os estados estacionários de e, respectivamente (ver as soluções explícitas no texto S2). Observe que há apenas uma diferença constante entre e. Além disso, denota a concentração sem dimensão de E2F de proteína e Myc, que está diretamente relacionada com o oncogene ou tumor supressão. Assim, nós apresentamos apenas os resultados do e no seguinte contexto

.

Devido à realimentação positiva no módulo, este sistema apresenta um comportamento de comutação, e que tem dois pontos fixos estáveis ​​no regime parâmetro apropriado [16] . diagramas de bifurcação em estado estacionário como uma função do parâmetro para diferentes valores de são apresentados nos painéis de topo da Figura 2. Considerando as limitações fisiológicas, o eixo horizontal deve ser superior e termina a um valor máximo de. É evidente que também mostra as propriedades supressores oncogénicos e de tumores de miR-17-92, utilizando o conceito de zona de cancro [12] (ver Figura 2A-D). Note-se que diminui com a diminuição para fixo e. Portanto, o ciclo de feedback positivo tem uma função inversa regulação similar de miRNA.

(painéis superiores) e diagramas de fase (painéis inferiores) de mudar o comportamento. A força da medida adimensional da inibição miRNA é aumentada de a, e (da coluna da esquerda para direita). Nos painéis de fundo, o vermelho linhas tracejadas denotam a gama de a constante de expressão da proteína, a partir de a. Claramente, o sistema é bastante melhorada no que diz respeito à capacidade de o interruptor de alavanca com a inclusão de inibição miARN. Aqui,.

No caso de um interruptor bi-estável, o sistema exibe histerese, que é uma propriedade de sistemas biestáveis. Por conveniência, denotar o estado estacionário inferior /superior (concentração menor /maior proteína) como a on /off Estado. Como um exemplo, para na Figura 2A, à medida que aumenta ao longo do ramo inferior estável, permanece no estado desligado até que. Quando é aumentada ainda mais, o off-estado desaparece, eo interruptor se move em direção ao ramo estável superior, correspondente ao estado-on. Então, se diminuir, o interruptor se move ao longo do ramo estável superior até, e depois uma transição traz o interruptor de volta para o off-estado. No entanto, o sistema também funciona como uma manifestação extrema de histerese, um comutador de sentido único, em que os ramos do estado ligado para o domínio negativos, mas é efectivamente eliminada devido a uma restrição física significativa (por exemplo,,, na Figura 2A e, em Figura 2B).

é bem conhecida uma região bi-estável é delimitada por dois pontos de sela-nó de bifurcação (o joelho direito das curvas nos painéis de topo da Figura 2) e esquerdo. Para todos os valores nesta região, o sistema tem duas soluções estáveis ​​e um um instável. Os painéis de fundo da Figura 2 apresentam diagramas de fase inteiros de comportamentos de comutação incluindo interruptores biestáveis ​​e de sentido único e uma região monoestável para valores diferentes. Ao aumentar a força da realimentação positiva, o sistema passa por uma transição de monostability a um comutador bi-estável e, em seguida, a um comutador de sentido único. O parâmetro exibe uma influência semelhante. Quando nós aumentamos, a transição começa com um interruptor de ida para um interruptor bistable e depois para monostablility. Quanto ao parâmetro adimensional de miARN inibição, que reduz a região de troca fechado no domínio eficaz de (a partir de, indicado por linhas tracejadas duas vermelho). No entanto, deve notar-se que o sistema possui apenas uma forma de comutação sem comportamento (ver Figura 2E). A região efectiva do interruptor biestável é expandido através do aumento da força de (Figuras 2E-H). Caso contrário, para valores mais elevados de, o sistema é sempre monoestável, mas no caso de valores inferiores, o sistema produz diversos comportamentos dinâmicos com a existência de.

Note-se que existe uma zona de cancro entre os níveis associados com o normal ciclos celulares e apoptose, uma gama de níveis de Myc e E2F com maior probabilidade de induzir câncer (veja a Figura S2 ou Figuras 3, 6 em [12]). Em geral, a fora de estado indica a quiescência celular e a sobre-estados representam outros processos (ciclos celulares, a zona de cancro, e a apoptose celular). Em todos os casos, a regulação imposta por miARN ou o circuito fechado de realimentação positiva é confinado para o estado superior, a partir de ciclos celulares para a zona de cancro e para a célula a apoptose ou a ordem inversa (ver Figura 2 e Figura 6 em [12]). Considerando uma perturbação ao longo do on-estado de um único interruptor bi-estável, muda um pouco. Por, o sistema quase permanece no-estado em porque não existe apenas o comutador de sentido único (Na verdade, a probabilidade de transferir para outro estado celular também é muito baixo. Ver Figura 2A.) No entanto, para (a existência de miARN ), é possível voltar a quiescência celular devido ao comutador bi-estável (Figuras 2B-D). Isto significa que os miARNs levar para o processo de repetição do estado-a para o estado desligado. Assim, o miRNA oferece duas possíveis vias de regulação, de apoptose celular ou da zona de câncer a célula quiescência (Figura S3).

. A resistência de realimentação positiva é fixado em, e a força de feedback negativo é aumentada 1,0-1,2 e 1,6, da esquerda para a direita. Parâmetro e. As filas superiores mostram o curso temporal da resposta a (A e B) a entrada de impulso, por e para os outros, ou (C) um estímulo constante com, onde a tracejado denotam linhas de vermelho do sinal de entrada. As linhas inferiores mostram o diagrama de bifurcação correspondente, onde /denota ponto de sela e /representa uma bifurcação de Hopf. Claramente, o sistema passa por transições de bi-estabilidade a excitabilidade e à oscilação de relaxamento com o aumento.

Diversificação da Signal-resposta Comportamentos

Conforme mostrado na Figura 2, o surgimento da inibição de miRNA induz a diversificação da dinâmica do sistema nas regiões fisiológicos de. Na verdade, a repressão de pelo rendimentos de feedback negativo (ver Figura 1). Este sistema, composto de feedback positivo e negativo, é um motivo flexível que pode apresentar diversos comportamentos [17], [18]. Já foi demonstrado que o feedback negativo torna possível oscilação [19], [20]. Aqui, mostra-se que o sistema pode apresentar diversos comportamentos sinal-resposta correspondentes aos diferentes regimes de figuras 2F-H.

Para qualquer força fixa da realimentação positiva, o comportamento do sistema é diferente para diferentes ( ver os painéis do fundo da Figura 2). Com e entre 1,0 a 1,2 e 1,6, A Figura 3 mostra que a resposta do sistema com o sinal de entrada é sintonizado por. A linha superior mostra a evolução no tempo da sob o estímulo de entrada, e a linha inferior mostra o diagrama de bifurcação correspondente do sistema. As linhas a cheio e tracejadas denotam estados estacionários estáveis ​​e instáveis, respectivamente. /Denota uma bifurcação sela-nó e /representa uma bifurcação de Hopf. O estímulo de entrada é um impulso com, excepto quando é 0,16 vez de 20 a 25 nas Figuras 3A e 3B, mas sempre é constante em na Figura 3C. Os valores iniciais foram utilizadas e.

Em primeiro lugar, no caso de, o sistema comporta-se de forma irreversível. Sob a entrada de pulso, o sistema liquida para o estado-on e não pode voltar para o off-state (Figura 3A) inicial. Este comportamento é típico de um comutador de sentido único (Figura 3D). Como é aumentado para 1,2, a força do impulso de entrada se encontra no intervalo entre e (Figura 3E). Neste caso, existem três estados estacionários, mas apenas o estado mais baixo (off-state) é estável, enquanto os outros (os média e alta) são instáveis. O sistema exibe a excitabilidade, onde é conduzido primeiro ao estado on-devido à instabilidade da entrada de pulso e, em seguida, completamente recupera ao original off-estado depois de um curto deslocamento (Figura 3B). Assim, o sistema modelo também gera um impulso de grande amplitude transiente para responder à entrada de impulsos.

Quando é ainda mais aumentada e a intensidade do estímulo é constante entre os dois pontos de bifurcação e Hopf, o sistema entra no limite oscilações -Ciclo (ver Figuras 3C e 3F, ea respectiva bifurcação 3 dimensões na Figura S4). aumenta gradualmente e, em seguida cai rapidamente depois de atingir um máximo, eo ciclo se repete. Como todos sabemos, a oscilação de relaxamento não amortecida é um processo periódico em que a mudança suave lenta do estado de um objeto ao longo de um intervalo de tempo finito é alternado com rápida mudança irregular do estado durante uma infinitamente curto espaço de tempo. Desde van der Pol apresentou o exemplo clássico de um unidimensionais oscilações de relaxamento do sistema ter [21], esses processos oscilatórios são observados em muitos objetos físicos etc., bens mecânica, radiotechnical, biológicas, laser. Assim, uma tal oscilação é um tipo de oscilação relaxamento não amortecida. Notavelmente, não há atraso de tempo no sistema recente oscilação do ciclo limite. Isto significa que esta oscilação resultou da histerese induzida pelo feedback positivo [22], [23].

Tal como indicado na Figura 3A e 3D, o sistema exibe um fenómeno fundamental na natureza, o chamado biestabilidade . Um sistema bi-estável é capaz de descansar em dois estados, que não precisa ser simétrico. A característica definidora de bi-estabilidade é simplesmente que dois estados estáveis ​​(mínimos) são separadas por uma barreira (máximo local). Por exemplo, para um conjunto de partículas, a bi-estabilidade vem do que a energia livre tem três pontos críticos. Dois deles são mínimos eo último é um máximo. No entanto, a Figura 3B e 3E exibir a excitabilidade do sistema. Comum a todos os sistemas excitáveis ​​é a existência de um estado de repouso, um estado animado (ou queima), e um refratário (ou recuperação) do Estado, tais como potencial de ação em sistemas neurais. O sistema é, na presença de uma estável e um ou mais instáveis ​​pontos fixos. Se imperturbável, o sistema reside no estado de repouso; pequenas perturbações resultar apenas em uma pequena resposta de amplitude do sistema. Para um estímulo suficientemente forte (por exemplo, maior do que o valor de na Figura 3E), o sistema pode deixar o estado de repouso, passando pela queima e estados refratários e depois volta para descansar de novo [24].

Como ilustrado acima, com o aumento, o sistema passa por uma transição de bi-estabilidade a excitabilidade e a oscilação relaxamento não amortecida, sem um atraso de tempo. Sugere-se que existe uma forma viável para a produção de diversos comportamentos sinal-resposta pela combinação da inibição da miARN e o parâmetro experimentalmente sintonizável. A Figura 4 apresenta uma visão geral do tunability usando o diagrama de fases da dinâmica do sistema no avião com. O diagrama a granel é composto por quatro tipos de dinâmicas: monostability, bi-estabilidade, excitabilidade e oscilação de relaxamento não amortecida, onde as fronteiras entre essas dinâmicas (linhas sólidas na Figura 4) são sela-nó e pontos de bifurcação Hopf, respectivamente. Não podemos observar a codimensão 2 ou outras bifurcações codimens~ao maior na nossa gama de parâmetro estudado. É óbvio que os valores de e pode ser sintonizado cooperativamente nas regiões correspondentes para conseguir comportamentos e funções desejáveis. Na verdade, quando nós corrigir qualquer um parâmetro no, e, os outros podem executar a função sinérgica semelhante para alcançar os diversos comportamentos de resposta (veja a Figura S5).

e com,. O diagrama a maior parte do comportamento dinâmico do sistema é composta por quatro regiões: monostability, bi-estabilidade, excitabilidade, e relaxamento de oscilação não amortecida. Os círculos vermelhos e azuis em fronteiras denotam as bifurcações sela-nó e Hopf, respectivamente.

Na verdade, um único ciclo de realimentação positiva com ultrasensitivity é capaz de agir como um interruptor bi-estável e um único ciclo de feedback negativo com um atraso de tempo pode produzir oscilações sustentadas [25] – [27]. No entanto, um motivo montados por um circuito positivo e um loop negativo não só desempenha as funções de ambas as sem alterar a estrutura topológica, mas também apresenta comportamento excitável. Note-se que os dois últimos comportamentos resultou do ciclo de feedback negativo de miR-17-92, porque só pode haver interruptores de sentido único sem miRNAs (Figura 2A). Esses comportamentos sinal-resposta oferecem diversas opções de regulação. A oscilação (pulsos) poderia fornecer regulação precisa em potencial, tais como a resposta digital do p53 a danos no DNA [28], [29].

Optimized Chave biestável

De acordo com as equações. (3-4), o parâmetro adimensional é uma constante de tempo para a activação e inactivação de e determina se o interruptor é rápida ou lenta. Note-se que é a razão entre a taxa de degradação de E2F e Myc para miR-17-92. Por conseguinte, o comportamento de comutação da concentração de proteína a partir do circuito fechado de realimentação positiva também pode ser representada como interligados feedback em tempo dupla loops de [13], [30], [31].

A Figura 5 ilustra as respostas de interruptor o sistema de duas constantes de tempo diferentes e a um estímulo passo com ou sem oscilação. A resistência basal da força estímulo é fixado em, onde o sistema é inicialmente no estado desligado, e depois salta para pelo tempo, correspondente ao estado-da no sistema. Os painéis na coluna da esquerda indicam o estímulo de entrada, em que o painel inferior esquerda corresponde a um ambiente flutuante descrito por ruído branco gaussiano com média e variância (Figuras 5A, 5D). As colunas do meio e da direita mostram a resposta do interruptor por e, respectivamente. Em todos os casos, o sistema com um menor aumenta rapidamente na fase inicial e responde muito mais rapidamente do que a do circuito mais lento. A amplitude de flutuação para valores maiores é muito menor do que a do (5E Figuras, 5F) ansa mais rápido. Ou seja, o ciclo rápido é crítico para a sensibilidade de comutação, mas o ciclo lento aumenta a estabilidade de comutação para resistir a flutuações de estímulo. Além disso, a inibição de miRNA também retarda o processo de mudança, especialmente perto o estado on-e, efetivamente, reprime flutuações (Figuras 5B e 5C, as Figuras 5E e 5F).

(A) A entrada de salto estímulo a pelo tempo. (B) As respostas do sistema para um ciclo rápido (vermelho) e uma lenta loop (azul), onde. (C) o mesmo que (B), mas com. (D) o mesmo que (A), mas com uma flutuação imposta, onde é ruído branco gaussiano com variância e significa, e é o mesmo que em (A). (E-F) o mesmo que (B) e (C), respectivamente. Todas as simulações usadas e.

Para investigar claramente a robustez de comutação às flutuações do estímulo, usamos a definição da fração de transição [17], [30]. O sistema é accionado pelo mesmo estímulo ruidoso com diferentes sementes, onde e é de ruído branco gaussiano. Inicialmente, estamos liquidados em uma população de células no on-estado do sistema, com algumas células que podem virar para o off-estado devido a uma mudança induzida por ruído. é definido como a razão entre o número de células no estado de transição para o número de todas as células em cada ponto de tempo. Além disso, pode-se definir o tempo necessário para alcançar o ponto médio entre os seus valores de estado estacionário inicial e, quando o chamado tempo de resposta.

A Figura 6 mostra os campos de tempo por, e. Para valores menores, que leva um tempo relativamente longo para chegar a um estado de equilíbrio menor. Nós denotar que o valor do estado estacionário de. Por exemplo, e para, o que significa que a maior parte das células estão ainda presos no-estado por um longo período de tempo. No caso de, e indicando que um número significativo de células () ter virado para o estado desligado e estão a tomar menos tempo para atingir o estado de equilíbrio de.

Cada curso de tempo representa a evolução da fracção que transitou pelo menos uma vez ao off-estado, para um conjunto de células. Aqui, os parâmetros são,,,, e um ruído branco gaussiano com variância.

Além disso, mostramos a fração de transição eo tempo de resposta como funções do para diferentes e valores na Figura 7. Em as simulações, todas as células inicialmente se estabeleceram no estado-on. A flutuação das segue uma distribuição de ruído branco gaussiano com variância. Com o aumento, diminui a partir de, mas também aumenta rapidamente no caso de. Especialmente na região de inversão de, diminui quando aumentado, como pode ser similarmente observado na Figura 6. Estes comportamentos de comutação resultou da ligação entre os equipamentos de estado e o estado desligado ou diminuir quando aumenta na região do comutador biestável (ver o diagrama dinâmico do

vs

, Figura S6).

(a) os valores constante da fração de transição da inicial on-estado para o off-estado como uma função de para. (B) O mesmo que (A) para. (C-D) O tempo de resposta

vs Compra de e, respectivamente. Todas as simulações usadas, e um ruído branco gaussiano com variância.

Note-se que é na coluna da esquerda da Figura 7 e está no caminho certo. Obviamente, para valores menores do laço (rápido) e valores maiores de, existe uma região maior do que para quase todas as células estão presas no estado ligado (). Na região crítica da para de a, o processo de inversão, com valores pequenos é menos sensível do que para com os maiores (Figuras 7A e 7B). Além disso, para valores pequenos é significativamente menos do que para as maiores (Figuras 7C e 7D).

Os processos celulares são essencialmente estocástica e ocorrem num ambiente flutuante [32]. Uma pequena perturbação na entrada estímulo pode ser amplificado por reacção positiva [33], [34]. (Às vezes, o feedback positivo pode funcionar como um dispositivo de ruído de filtragem [35]). Além disso, o comportamento de comutação induzida por ruído pode induzir a uma falsa decisão sobre destino celular (caso na Figura 5E). Ao envolver o ciclo de feedback negativo de miRNAs, a rede câncer Myc /E2F /miR-17-92 funciona como um interruptor de tempo dupla interligados por laços positivos rápido e lento. Todo o sistema apresenta alta sensibilidade de ruído no off-estado, devido às rápidas respostas do ciclo positivo, que é regulado pela razão entre o miRNA e taxas de degradação de proteínas (note que muitas vezes é muito menos do que). Ao mesmo tempo, o sistema é resistente ao ruído quando ele está no estado-no como um resultado da realimentação negativa.

Discussão

Tem sido relatado que o miR-17-92 comporta-se como um oncogene e um supressor de tumor, dependendo das situações diferentes [36], [37]. Pela primeira vez, Aguda et ai. analisou o modelo reduzido do acoplamento entre os loops de feedback positivo E2F /Myc e o ciclo de feedback negativo E2F /Myc /miR-17-92. Eles mostraram que o miR-17-92 desempenha um papel crítico na regulação dos níveis de proteína (on /off). O mais importante, eles demonstram as propriedades supressoras de tumores oncogénicos e paralelas de miR-17-92 utilizando o conceito, zona de cancro (Figura S2 ou Figura 3, em [12]). Ao considerar os comportamentos de comutação biestável, Aguda et al. [12] previu que o aumento do nível miRNA impulsiona nível E2F /Myc no ciclo celular normal para entrar na zona câncer (oncogene, caso a), ou impulsiona os níveis de proteína para sair da zona de câncer e entrar na apoptose celular (supressor de tumor, caso b), e vice-versa (ver Figura S2 ou Figura 3, em [12]). O modelo abstracto reduzida da rede de Myc /E2F /miR-17-92 é tipicamente interligados por feedback positivo e negativo loops (Figura 1). Um sistema bi-estável, com laços interligados tenha sido ilustrada na rede de levedura-galactose utilização [38], [39], a mitogen-activated proteína cinase 1,2 /proteína rede de sinalização da cinase C [40], [41], [relógio circadiano ,,,0],42], [43], o ciclo de célula eucariótica [44], [45], a rede de p53-Mdm2 [29], e assim por diante. Demonstrou-se que um sistema de circuitos interligados com comporta-se como um motivo sintonizável e executa diversos comportamentos [17]. A dinâmica essencial na rede Myc /E2F /miR-17-92 é um interruptor bi-estável, o que só pode ser realizado por um ciclo de feedback positivo, sem miRNAs (Figura 2A). Assim, a importância fisiológica de miARNs permanece obscura. O presente trabalho baseia-se na hipótese de que os miRNAs são essenciais para otimizar o comportamento de comutação da rede /Myc E2F /miR-17-92, e vamos nos concentrar sobre o papel do miR-17-92 sobre o comportamento de sinal-resposta sem ou com ruído.

neste trabalho, utilizando parâmetros de simulação que são biologicamente plausível, nós mostramos que o sistema representa vários comportamentos (monostability, um interruptor bi-estável, um switch one-way) em vez de um código de um simples interruptor de forma por causa da existência de miR-17-92 (ver Figuras 2E-H. a região biestável é também maior com miARN presente). Como resultado, o sistema é capaz de gerar uma gama diversa de comportamentos sinal-resposta com parâmetros combinados adequados (Figuras 3A-C). Especialmente, nós achamos que, devido à existência de miR-17-92, a gama (parâmetro) de ciclos celulares normais é alargada e esta transição (da morte celular /câncer para quiescência) é provavelmente realizada por interruptores induzida por ruído. Além disso, a constante de tempo de resposta do módulo de proteína pode ser regulado pela velocidade de degradação miARN (nas Figuras 5B-C). A rede Myc /E2F /miR-17-92 pode ser executado como um interruptor de tempo dupla (interligadas rápido e lento ciclos positivos) e parece ser mais sensível aos estímulos e resistente a flutuações de estímulo (Figuras 5E-F e Figura 6). Isso significa que miR-17-92 pode realizar esforços para otimizar o interruptor bistable onde miR-17-92 confere robustez sinalização (para limitar as flutuações de sinalização indesejados, efeito tampão) e alcança (efeito de equilíbrio), a eficácia de sinalização ideal.

Além disso, os processos em sistemas de regulação de genes são tipicamente sujeitos a atrasos consideráveis ​​induzidos por reações bioquímicas subjacentes. atrasos em combinação com um ciclo de feedback positivo /negativo pode induzir oscilações sustentadas e multistability [12]. O modelo da rede Myc /E2F /miR-17-92 também devem responder por vários atrasos.