Oscilaciones intermitentes de señales moleculares en células madre embrionarias : un enfoque interdisciplinario - Fabris, Fiorella (2022)
Si bien se conoce que la diferenciación de las células del embrión de preimplantación de ratón y de las células madre embrionarias (ESCs) requiere de la activación de ERK, su dinámica de señalización en escalas temporales cortas no estaba explorada en este contexto biológico. Desde un enfoque interdisciplinario, en esta tesis construimos la primera descripción cuantitativa y teórica de la dinámica de activación de ERK en ESCs en escalas temporales cortas. Primero extraemos series temporales a partir de filmaciones de colonias de células que tienen integrado un sensor de translocación capaz de medir la actividad de ERK en células individuales. Con estrategias de análisis de series temporales que desarrollamos en este trabajo, encontramos que el patrón de actividad de ERK consiste en un tipo de dinámica previamente no descripto, que llamamos oscilaciones intermitentes: intervalos de oscilaciones alternados con intervalos de silencios y pulsos aislados. A partir de mediciones en células mutantes que no producen el principal ligando que desencadena la actividad de ERK en ESCs, encontramos que los intervalos oscilatorios son desatados por el estímulo extracelular y aumentan su duración a mayores dosis. Luego comparamos las dinámicas de activación de ERK en ESCs y un tipo celular levemente más diferenciado, y hallamos que la extensión de los intervalos oscilatorios depende del estadío de diferenciación celular. Realizamos nuevas mediciones que abarcan todo el ciclo celular en ESCs. Implementamos un nuevo análisis de series temporales más largas pero de menor resolución, y encontramos que las ESCs son mas propensas a pulsar en fases más tempranas del ciclo celular. Formalizamos la descripción cuantitativa que construimos en un modelo matemático de baja dimensionalidad. Comenzamos por introducir un modelo de fase de bifurcación de ciclo infinito y ruido blanco gaussiano, y estudiamos sus principales propiedades dinámicas mediante simulaciones numéricas y formalismos teóricos. En este análisis utilizamos el formalismo de tiempo de primer pasaje para obtener la expresión analítica de la duración de pulsos media. A partir de comparar los experimentos con la teoría mediante ajustes basados en la técnica de Cálculo Bayesiano Aproximado Monte Carlo Secuencial, propusimos modificaciones al modelo inicial que nos permitió construir una descripción teórica de la dinámica de activación de ERK que tiene los ingredientes mínimos para reproducir las oscilaciones intermitentes que observamos en los experimentos. Esta descripción propone transiciones de naturaleza estocástica entre un régimen oscilatorio y uno excitable reguladas por una escala temporal, y perturbaciones generadas por ruido que en el régimen excitable dan lugar a actividad pulsátil.