FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy PB050: Modelováni a predikce v Systémové biologii ué David Šafránek 8.11.2012 FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Obsah Motivy typu FFL Motivy typu SIM Topologické generalizace motivů Další motivy a celková struktura transkripčních sítí Motivy v developmentálních sítích Vícevrstvé motivy FFL Obsah Motivy typu FFL Motivy typu SIM Topologické generalizace motivů Další motivy a celková struktura transkripčních sítí Motivy v developmentálních sítích Vícevrstvé motivy SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Třída motivů Feed-Forward Loop X 1 y C1-FFL l Koherentní FFL x 1 f C2-FFL 1 z [ I clFFL [ * C4-FFL Nekoherentní FFL V 11-FFL I t I2-FFL | V I3-FFL | Y |4.FFL z ri n r; Y I2-FFL Y I3-FFL Y M.| FFL Třída motivů Feed-Forward Loop 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% □ E coli ■ S. cerevisiac 1 C1 C2 C3 C4 I2 I3 14 • poměrné zastoupení variant FFL (z celkového počtu 138 podgrafů tvaru FFL v E. coli a 56 v S. cerevisiae) S. Mangan, S. Itzkovitz, A. Zaslaver and U. Alon, The Incoherent Feed-forward Loop Accelerates the Response-time of the gal System of Escherichia coli. JMB, Vol 356 pp 1073-81 (2006). FFL Schema II-FFL I f(X,Y)l FFL Schema Il-FFL - AND vstupní funkce FFL Schema Il-FFL-AND - vliv represoru Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Možnosti výstupní regulace Il-FFL-AND sigX OFF sigX ON p _ 4F = -7,[Z] - _ /% = Ä-72[Z] _ _2_Ľ--._ gen Z gen Z gen Z gen Z Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Možnosti výstupní regulace Il-FFL-AND sigX OFF sigX ON p _ 4F = -7,[Z] - _ /% = Ä-72[Z] _ _2_Ľ--._ gen Z gen Z Ä ^ 4? = -7.P] Ä Ä ^ /^ = Ä-7,[Z] ®-C_ _@ @ r /_ gen Z gen Z ^ « Pz Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Možnosti výstupní regulace Il-FFL-AND sigX OFF sigX ON p _ 4F = -7,[Z] - _ /% = Ä-72[Z] _ _2_Ľ--._ gen Z gen Z Ä ^ 4? = -7.P] Ä Ä ^ /^ = Ä-7,[Z] ®-C_ _@ @ r /_ gen Z gen Z /3;«/3z,Zsř = f Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Možnosti výstupní regulace Il-FFL-AND sigX OFF sigX ON p _ 4F = -7,[Z] - _ /% = Ä-72[Z] _ _2_Ľ--._ gen Z gen Z Ä ^ 4? = -7.P] Ä Ä ^ /^ = Ä-7,[Z] ®-C_ _@ @ r /_ gen Z gen Z /3;«/3z,Zsř = |,z;ř = f Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Možnosti výstupní regulace Il-FFL-AND sigX OFF sigX ON p _ 4F = -7,[Z] - _ /% = Ä-72[Z] _ _2_Ľ--._ gen Z gen Z Ä ^ 4? = -7.P] Ä Ä ^ /^ = Ä-7,[Z] ®-C_ _@ @ r /_ gen Z gen Z Ä 7' - Ä -st represní faktor — F = % /3;«/3z,Zsř = |,z;ř = | Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Možnosti výstupní regulace Il-FFL-AND sigX OFF sigX ON p _ 4F = -7,[Z] - _ /% = Ä-72[Z] _ _2_Ľ--._ gen Z gen Z Ä ^ 4? = -7.P] Ä Ä ^ /^ = Ä-7,[Z] ®-C_ _@ @ r /_ gen Z gen Z /3;«/3z,Zsř = |,z;ř = | Ěí Z' = Sk represní faktor — F = % = ^ FFL FFL Analýza chováni Il-FFL-AND - doba odezvy O 10 20_ 30_40 50 60 - 11-FFL [Z] - nonregulated [Z] [Zst]/2 FFL Zkrácení doby odezvy pomocí II-FFL - experiment S. Mangan, S. Itzkovitz, A. Zaslaver and U. Alon, The Incoherent Feed-forward Loop Accelerates the Response-time of the gal System of Escherichia coli. JMB, Vol 356 pp 1073-81 (2006). FFL Zkráceni doby odezvy pomocí II-FFL - experiment Time [Cell Divisions] S. Mangan, S. Itzkovitz, A. Zaslaver and U. Alon, The Incoherent Feed-forward Loop Accelerates the Response-time of the gal System of Escherichia coli. JMB, Vol 356 pp 1073-81 (2006). FFL Il-FFL - shrnutí • druhý nejzastoupenější 3-uzlový motiv • způsobuje impuls v produkci regulovaného proteinu • urychluje odezvu na vstupní signál • funguje pouze v případě přítomnosti signálů sigX a sigY • je citlivý na kladnou změnu sigX • v případě vypnutí sigX chování stejné jako bez ll-FFL • vstupní funkce není monotónní vzhledem k X Shai Kaplan, Anat Bren, Erez Dekel and Uri Alon, The incoherent feed-forward loop can generate non-monotonic input functions for genes Mol. Systems Biology, 2008. FFL Motivy FFL - shrnutí • prakticky zastoupené pouze varianty Cl a II • funkčnost je dána binární vstupní funkcí regulace cílového genu • fungují buď na kladnou nebo zápornou změnu vstupního signálu • citlivost na změnu vstupního signálu lze invertovat použitím komplementárního binárního operátoru (ANDo OR) • proč nejsou zastoupeny v organismech další motivy FFL? • postupem evoluce dochází ke konvergenci k "nejefektivnější" regulaci • funkčnost některých ostatních FFL velmi podobná k výše uvedeným • např. II a 14 mají stejnou funkci (puls s krácením doby odezvy) • ll-AND má silnou vstupní logiku - flexibilně reaguje na signál sigX i sigY, kdežto 14-AND má vstupní logiku omezenější FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Obsah Motivy typu FFL Motivy typu SIM Topologické generalizace motivů Další motivy a celková struktura transkripčních sítí Motivy v developmentálních sítích Vícevrstvé motivy FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Schema motivu SIM • SIM — Single Input Module má vždy 1 vstupní (regulující) uzel a n výstupních (regulovaných) • hrany jsou vždy stejného typu SIM+(n) SIM-(n) SIM Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy • předpokládejme K\ > K2 > K3 • předpokládejme klesající [X], X(0) = 10 • předpokládejme Yi(0) = Y2(0) = Y3(0) = 0 FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy vícevrstvé motivy Analýza dynamiky motivu SIM- - y ^^^^ i |-[X]|-[Y1]| [Y2]| [Y3] |-[Xl|-[Y1]| [Y2]| [Y3] Kx = 6 K2 = 4 K3 = 2 FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Význam motivu SIM • just-in-time transkripce typu LIFO • energetický význam při konstrukci stabilních proteinů • energie buňky je spotřebována pro výrobu proteinů právě tehdy když jsou proteiny potřebné • využito např. při opravách poškozených částí buňky M Roněn, R Rosenberg, B Shraiman and U Alon, Assigning numbers to the arrows: Parameterizing a gene regulation network by using accurate expression kinetics. PNAS, (2002). • řízení proteinů citlivé na fáze buněčného cyklu • řízení proteinů citlivé na fáze biologických hodin Kmitá M, Duboule D. Organizing axes in time and space; 25 years of colinear tinkering. Science. 301(5631), (2003). FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Význam motivu SIM při řízení signálních drah FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Význam motivu SIM při řízeni signálních drah FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Význam motivu SIM při řízeni signálních drah FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Význam motivu SIM při řízeni signálních drah gen Y1 Generalizace Obsah Motivy typu FFL Motivy typu SIM Topologické generalizace motivů Další motivy a celková struktura transkripčních sítí Motivy v developmentálních sítích Vícevrstvé motivy Generalizace Motivace - uchopeni víceuzlových motivů • pro 3-uzlové (orientované) podgrafy existuje 199 možností • pro 4-uzlové podgrafy toto číslo přesahuje 5000 • podgrafy lze kategorizovat do tříd s podobnou funkcionalitou — topologická generalizace N. Kashtan, S. Itzkovitz, R. Milo, U. Alon, Topological Generalizations of network motifs. Phys Rev E 70, (2004). Generalizace Generalizace motivu FFL Generalizace Generalizace motivu FFL Generalizace Generalizace motivu FFL Generalizace Generalizace motivu FFL Generalizace Generalizace motivu FFL Generalizace Generalizace motivu FFL Generalizace Generalizace motivu FFL Generalizace Motiv multi-output FFL Generalizace Motiv multi-output FFL - příklad Generalizace Význam multi-output FFL motivů • podobné jako SIM • umožňují FIFO aktivaci-deaktivaci regulovaných genů • FIFO je zhlediska optimálního využití energie efektivnější • navíc se přidává robustnost vůči kolísání vstupního signálu (viz FFL) Generalizace Konstrukce pohybového ústrojí bakterie (flagella) zjednodušený model transkripční regulace při konstrukci bičíku Generalizace Konstrukce pohybového ústrojí bakterie (flagella) zjednodušený model transkripční regulace při konstrukci bičíku Generalizace Konstrukce pohybového ústrojí bakterie (flagella) zjednodušený model transkripční regulace při konstrukci bičíku Generalizace Konstrukce pohybového ústrojí bakterie (flagella) zjednodušený model transkripční regulace při konstrukci bičíku Generalizace Konstrukce pohybového ústrojí bakterie (flagella) zjednodušený model transkripční regulace při konstrukci bičíku Generalizace emergentní vlastnost: časovaná syntéza proteinů tvořících bičík Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Přiklad: pohybové ústrojí E. Coli Class 1 fikDC FlhD-FlhC Basal body +hook IBEH) Class 2 fliFCHtJK, fliLMNOPQR.ßiE.ßliBAE, flgBCDEFGHU, fliAZY, figAMN, \ 1 Class 3 3a: Fl i A * / flgKL.ßiDSZßgMK 3b: fliC. mtxhe (lor lap cheRBYZ), itHH'fiú {molABclieA W) Fl age Hum + cheraotaxi s system S. Kalir et. al. Ordering genes in a flagella pathway by analysis of expression kinetics from living bacteria. Science, 292:2080-2083 (2001). Generalizace Konstrukce motoru bičíku v E. coli Earl>' ^ctoCT^y Class 1 řUiDC Master regulator i Class 2 fliL Class 2 fliE Class 2 fliF Class 2 flgA Class 2 flgB Class 2 niiQ Class 2 fliA Class 3 fliD Class 3 ngK Class 3 fliC I Activator :iť class ■ Late f \ Class 3 medie (Cluster 3 L class 3 mocha V^^^y l_Class 3 flgM S. Kalir et. al. Ordering genes in a flagella pathway by analysis of expression kinetics from living bacteria. Science, 292:2080-2083 (2001). Generalizace Konstrukce motoru bičíku v E. coli Time [min] Time [min] relative Good- A Cood- B to max S. Kalir et. al. Ordering genes in a flagella pathway by analysis of expression kinetics from living bacteria. Science, 292:2080-2083 (2001). FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Obsah Motivy typu FFL Motivy typu SIM Topologické generalizace motivů Další motivy a celková struktura transkripčních sítí Motivy v developmentálních sítích Vícevrstvé motivy Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Pozitivní autoregulace duální chování vzhledem k negativní autoregulaci zastoupena výrazně slaběji než negativní autoregulace prodlužuje dobu odezvy způsobuje bistabilitu FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Srovnání s negativní autoregulací FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Další motivy • z víceuzlových motivů jsou nejčastěji zastoupené tzv. hustě-incidující regiony (Dense Overlaping Regions) • jejich smysl je různá kontrolní logika regulovaných genů v závislosti na vstupních signálech • obtížné chápat jako obvody s dedikovaným chováním (mnoho možností dynamiky...) Ingram, P. J., Stumpf, M. P. & Stark, J. Network motifs: structure does not determine function. BMC Genomics 7, 108 (2006). FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Struktura senzorické transkripčni sítě E. coli (U. Alon) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Struktura senzorické transkripční sítě E. coli FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Struktura senzorické transkripční sítě E. coli FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Flagella modul transkripění sítě E. coli - Cl-FFL FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy vícevrstvé motivy Flagella modul transkripční sítě E. coli - SIM+ FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Celková struktura senzorických transkripčních sítí • senzorické transkripční sítě zahrnují transkripční regulaci proteinů utilizujících odezvu buňky na signály • motivy jsou zastoupeny systematicky (dokladuje výzkum E.coli a S.cerevisiae) S. Shen-Orr, R. Milo, S. Mangan and U Alon, Network motifs in the transcriptional regulation network of Escherichia coli. Nature Genetics, 31:64-68 (2002). • DOR motivy v jedné vrstvě, definují páteř sítě • ostatní víceuzlové motivy většinou navazují na výstupy z DOR • četné zastoupení autoregulace FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Obsah Motivy typu FFL Motivy typu SIM Topologické generalizace motivů Další motivy a celková struktura transkripčních sítí Motivy v developmentálních sítích Vícevrstvé motivy FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Motivy v developmentálních transkripčních sítích • developmentální sítě zahrnují transkripční regulaci proteinů ovlivňujících diferenciaci buněk • pracují v časové škále několika generací buňky • u mnohobuněčných (eukaryotických) organismů • tvorba tkání • nevratná rozhodnutí • obsahují motivy známé ze senzorických sítí • Cl-FFL, ll-FFL, SIM, autoregulace • zahrnují i motivy, které se v senzorických sítích nevyskytují Developmentální motivy Podvojné zpětné vazby Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Podvojné zpětné vazby - pozitivní stabilní stav X Y [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X]=Xst2,[Y] = Yst2 > KXy > KyZ < KXy < KyZ FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Podvojné zpětné vazby - pozitivní stabilní stav X Y [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X] = Xst2, [Y] = Yst2 ON ON OFF OFF (vzhledem k aproximaci schodovými funkcemi) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Regulující podvojná vazba - pozitivní stabilní stav X Y Z [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X]=Xst2,[Y] = Yst2 ON ON ON OFF OFF OFF (vzhledem k aproximaci schodovými funkcemi) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy stabilní stav X Y Z [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X]=Xst2,[Y] = Yst2 ON ON ON OFF OFF OFF (vzhledem k aproximaci schodovými funkcemi) • různé regulační logiky dle charakteru interakcí X-Z, Y-Z FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Podvojné zpětné vazby - negativní 10 -B - 12 -10 -3 -S -0 - |-[x]|-m| k |-w|-m| k /* = K = 5, /3X = 1.1, py = l, 7x = 7y = 0.1 FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Podvojné zpětné vazby - negativní stabilní stav X Y [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X]=Xst2,[Y] = Yst2 > KXy < KyZ < KXy > KyZ FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Podvojné zpětné vazby - negativní stabilní stav X Y [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X] = Xst2, [Y] = Yst2 ON OFF OFF ON (vzhledem k aproximaci schodovými funkcemi) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Regulující podvojná vazba - negativní stabilní stav X Y Z [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X]=Xst2,[Y] = Yst2 ON OFF OFF OFF ON ON (vzhledem k aproximaci schodovými funkcemi) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Regulující podvojná vazba - negativní stabilní stav X Y Z [X]=Xstl,[Y] = Ystl [X]=Xst2,[Y] = Yst2 ON OFF OFF OFF ON ON (vzhledem k aproximaci schodovými funkcemi) • různé regulační logiky dle charakteru interakcí X-Z, Y-Z FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Význam podvojných zpětných vazeb • význam při rozhodování v diferenciaci buněk • význam pozitivní podvojné vazby podobný pozitivní autoregulaci • oproti autoregulaci větší zpoždění odezvy • podobně jako u FFL je zde robustnost vůči krátkodobým výkyvům v koncentraci vstupních regulátorů • typicky X a Y jsou proteiny náležející téže tkáni • souhlasné rozhodnutí stabilního stavu • negativní podvojná vazba umožňuje nesouhlasné rozhodnutí stabilního stavu • X a Y typicky regulují geny různých tkání • význam při konstrukci tkání (vzájemná komunikace) • bistabilita odpovídá nevratnému rozhodnutí Developmentální motivy Regulované dvojné zpětné vazby FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Regulované dvojné zpětné vazby • výběr stabilního stavu • udržení stabilního stavu v paměti • i v případě změny signálu Z • důležité pro udržení informace o diferenciaci buňky (např. pokud je buňka izolována nebo se změní její okolí SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Regulovaná pozitivní dvojná zpětná vazba "z \ -— '■ ■;. 0 ' ' ' ZO ' ' ' 40 ' ' ' 60 ' ' ' BO ' ' ' 1M Ó ' ' ZO ' 40 ' 60 ' BO ' 100 |-[X]|-[Y]| Kxy=Kyx| Kzx=Kzy |-[X]|-[Y]| Kxy=Kyx| Kzx=Kzy| Z > Kzx{= Kzy) Z < Kzx{= Kzy) • po vypnutí aktivačního signálu Z vysoká produkce X a Y dále přetrvává (pamětový efekt) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Kaskády transkripčnich faktorů • produkce různých developmentálních proteinů rozdělená na časové ose několika generací buňky • negativní kaskáda robustnější (energeticky optimálmější v případě fluktuací) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Pozitivní kaskáda transkripčních faktorů FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Negativní kaskáda transkripčních faktorů FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Negativní kaskáda transkripčních faktorů FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Obsah Motivy typu FFL Motivy typu SIM Topologické generalizace motivů Další motivy a celková struktura transkripčních sítí Motivy v developmentálních sítích Vícevrstvé motivy SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů transcriptional regulation protein-protein interaction • uvažujeme současně interakce mezi dvěma uzly na dvou různých vrstvách • pro transkripční faktory lze uvažovat transkripční regulaci a proteinovou interakci (např. komplexaci) SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů transcriptional regulation protein-protein interaction • uvažujeme současně interakce mezi dvěma uzly na dvou různých vrstvách • pro transkripční faktory lze uvažovat transkripční regulaci a proteinovou interakci (např. komplexaci) • nejčastější je positivní vazba na jedné vrstvě a negativní na druhé • X aktivuje transkripci Y, přitom Y zvyšuje degradaci X FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů transcriptional regulation protein-protein interaction • uvažujeme současně interakce mezi dvěma uzly na dvou různých vrstvách • pro transkripční faktory lze uvažovat transkripční regulaci a proteinovou interakci (např. komplexaci) • nejčastější je positivní vazba na jedné vrstvě a negativní na druhé • X aktivuje transkripci Y, přitom Y zvyšuje degradaci X • X aktivuje transkripci Y, přitom Y se váže na X a v této sloučenině působí jako represor pro X SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů termostat v_) FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů teplota termostat FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů rychlá odezva pomalá odezva teplota termostat Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů rychlá odezva pomalá odezva FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Princip vícevrstvých motivů rychlá odezva teplota pomalá odezva FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Princip vícevrstvých motivů vícevrstvé motivy FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Oscilační chování (ustávající kmit) 0 -II!_ I—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|— 0 100 200 300 400 500 " [X] - [Y] Kyx Kxy FFL SIM Generalizace Další motivy Developmentální motivy Vícevrstvé motivy Oscilační chování i t U / v VVv V"\ M v v v v v v ZOU 250 3U0 sn -m isn ?nn sto ann |-[X]|"|Y] K«| Kyx |- Kxy |"|X]-[Y]| Kxx Kyx|-