Mecanismos regulatorios de las propiedades de entrada-salida de informaciónen rutas señalización celular

• Autores: Di-Bella, Juan Pablo
• Año de publicación: 2019
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Ventura, Alejandra Cristina; Colman Lerner, Alejandro Ariel
• Materia: CASCADAS DE SEÑALIZACION; RETROACTIVIDAD; SISTEMAS DINAMICOS; CINETICA DE UNION; CURVAS INPUT-OUTPUT; BIOLOGIA COMPUTACIONAL; SIGNALING CASCADES; RETROACTIVITY; DYNAMICAL SYSTEMS; BINDING KINETICS; INPUT-OUTPUT CURVES; COMPUTATIONAL BIOLOGY
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Los seres vivos utilizan información para tomar decisiones. En particular, las células operan sobre información acerca de las condiciones externas e internas, más la información almacenada en sus genomas, para tomar decisiones que determinan sus acciones futuras. La centralidad de la información, y de cómo se usa para tomar decisiones, define una diferencia clave entre los seres vivos y otros sistemas no biológicos complejos. Para transmitir esta información las células evolucionaron sistemas complejos, mayoritariamente basados en especies proteicas. Estos sistemas son ubicuos, operan tanto en bacterias, como en eucariotas, en procesos tan diversos como la quimiotaxis bacteriana, el sensado y metabolismo de azúcares, la respuesta a gradientes de morfógenos, la maduración del sistema inmune, y la transmisión de impulsos nerviosos. La desregulación de sistemas de transmisión de información esta en la base de muchas patologías, como la autoinmunidad y el cáncer. Por esto, la compresión del modo en que estos sistemas operan es fundamental tanto desde el punto de vista básico (comprender la transmisión de la información en sistemas vivos) cómo aplicado (por ejemplo para el diseño de agentes y métodos terapéuticos más efectivos). En esta tesis nos centramos en la relación entre los sistemas de detección y de transducción, con el foco en mecanismos que controlan los límites de detección (el rango dinámico, rango de estímulos para los cuales se pude responder de manera dosis-dependiente). Las redes intracelulares de señalización cuentan con mecanismos de detección tales como los receptores de membrana, encargados de convertir estímulos extracelulares en activación del receptor. Esto desencadena actividad en la red, que se compone de distintos pasos de transducción, y genera una respuesta. Es comúnmente aceptado que los niveles de estímulo que ocasionan ocupación máxima de los receptores no pueden ser distinguidos unos de otros. Sin embargo se ha observado que, a pesar de esta aparente saturación de los sensores, el sistema es capaz de originar respuestas distinguibles a señales supuestamente indistinguibles. En esta tesis estudiamos la importancia de la cinética de la unión entre receptores de membrana y ligandos extracelulares, sobre la base de nuestros resultados preliminares que indican que esta cinética es capaz de controlar las características de la respuesta, incluido el rango dinámico. El resultado preliminar es la existencia de un mecanismo, denominado "sensado y señalización pre-equilibrio" (pre-equilibrium sensing and signaling - PRESS), que permite discriminar niveles de señal que saturan a los receptores en equilibrio. El mecanismo se basa en el acople de un proceso de sensado lento comparado con la escala temporal de los procesos ro abajo: si la red de señalización puede responder, gracias a una transducción rápida, antes de que la detección alcance el equilibrio, podrá distinguir dosis de ligando que en equilibrio resultan indistinguibles. La consecuencia de este acople es provocar una expansión del rango dinámico del sistema. En particular, diversos pares ligando-receptor de membrana tienen cinética de unión lenta, lo que sugiere que la modulación del rango dinámico debida al mecanismo PRESS podra ser una característica general de los sistemas de señalización. El mecanismo PRESS haba sido propuesto y estudiado, con anterioridad a esta tesis, en relación la interacción ligando-receptor y con el requerimiento de que la cinética de unión fuera lenta. Uno de los capítulos de esta tesis aborda y resuelve estas dos limitaciones del mecanismo. En primer lugar, estudia sistemas de señalización que reciben estímulos que crecen lentamente. Encontramos que la dinámica en el estímulo controla el tiempo asociado al sensado, resultando en un sensado lento aun cuando la cinética ligando-receptor no sea lenta. En segundo lugar, estudiamos que otras componentes básicas de una ruta de señalización celular pueden utilizar este mecanismo que modula el rango dinámico. Encontramos que tanto ciclos de modificación covalente como redes regulatorias genéticas simples, utilizan PRESS. En todos los casos realizamos estudios teórico-computacionales a fin de encontrar condiciones que optimicen la utilización de información pre-equilibrio. En un capítulo muy relacionado al anterior, nos preguntamos si modelos más realistas, y por lo tanto más detallados, de la interacción ligando-receptor aún conservan la capacidad de usar PRESS. Para esto consideramos un modelo de receptor con dos estados, vinculados por un cambio conformacional, y evaluamos la capacidad de modulación del rango dinámico en función del espacio de parámetros. Para esto, desarrollamos una combinación de técnicas computacionales y estadísticas, que son aplicables en general y no exclusivamente en este trabajo. Los elementos ubicuos de rutas de señalización celular que mencionamos y estudiamos, se encuentran interconectados en estas rutas. Es de interés, por lo tanto, preguntarse si cambian sus propiedades, y de ser así, como lo hacen, debido a la interconexión. Con esta motivación llevamos a cabo un estudio en el que evaluamos los efectos de la interconexión de componentes bio-moleculares en la transmisión de información. Para esto, tomamos como ejemplo un modelo de cascadas de quinasas de 3 ciclos, perturbamos el sistema ro arriba para estudiar la propagación de la información directa, y también perturbamos el sistema ro abajo para estudiar la propagación reversa. Para este estudio desarrollamos herramientas analíticas, computacionales y estadísticas, para dar conclusiones en términos de probabilidad de ocurrencia en el espacio de parámetros que nos permitieron dividir el comportamiento del sistema según si propaga solo la señales directas, solo las reversas o si tiene propagación bidireccional. En esta tesis estudiamos aspectos relacionados la transmisión de información en rutas de señalización celular, buscando extraer principios generales y evaluando estos principios con teoría y simulaciones numéricas, dando un rol preponderante a la exploración del espacio de parámetros.
Living organism use information to make decisions. In particular, cells operate on information about external and internal conditions, plus the information stored on their genomes, to make decisions that determine their future actions. The centrality of information, and how it is used to make decisions, define a difference between living beings and others. To transmit this information, cells have evolved complex systems, mostly based on protein species. These systems are ubiquitous, operate in bacteria as well as in eukaryotes, in processes as diverse as bacterial chemotaxis, sensing and metabolism of sugars, the response to morphogen gradients, the maturation of the immune system and the transmission of nerve impulses. The deregulation of information transmission systems is in the basis of many pathologies, such as autoimmunity and cancer. Therefore, understanding the way in which these systems operate is fundamental both from the basic point of view (understanding the transmission of information in living systems) and applied (for example, in the design of more effective therapeutic agents and methods). In this thesis we focus on the relationship between detection and transduction systems, with special focus on the mechanisms that control the limits of detection (the dynamic range, range of stimuli for which we can respond in a dose-dependent manner). The intracellular signaling networks have detection mechanisms such as membrane receptors, responsible for converting extracellular stimuli into receptor activation. This triggers activity on the network, which is composed of different transduction steps, and generates a response. It is commonly accepted that stimulus levels that cause maximum occupancy of the receptors cannot be distinguished from each other. However, it has been observed that despite this apparent saturation of the sensors, the system is capable of originating distinguishable responses to supposedly indistinguishable signals. In this thesis we study the importance of the kinetics of the binding between membrane receptors and extracellular ligands, based on our preliminary results that indicate that this kinetics is able to control the characteristics of the response, including the dynamic range. The preliminary result is the existence of a mechanism, called "pre-equilibrium sensing and signaling"(PRESS), which allows discriminating signal levels that saturate the receptors in equilibrium. The mechanism is based on the coupling of a slow sensing process compared to the time scale of the downstream processes: if the signaling network can respond, thanks to rapid transduction, before detection reaches equilibrium, it can distinguish doses of ligand that are indistinguishable in equilibrium. The consequence of this coupling is to cause an expansion of the dynamic range of the system. In particular, various membrane ligand-receptor pairs have slow binding kinetics, suggesting that modulation of the dynamic range due to the PRESS mechanism could be a general characteristic of signaling systems. The PRESS mechanism had been proposed and studied, prior to this thesis, in relation to the ligand-receptor interaction and the requirement that the binding kinetics be slow. One of the chapters of this thesis addresses and resolves these two limitations of the mechanism. First, we studied signaling systems that receive stimuli that grow slowly. We find that the dynamics in the stimulus controls the time associated with the sensing, resulting in a slow sensing even when the ligand-receptor kinetics is not slow. Secondly, we studied that other basic components of a cell signaling path can use this mechanism that modulates the dynamic range. We found that both covalent modification cycles and simple genetic regulatory networks use PRESS. In all cases we performed theoretical-computational studies in order to find conditions that optimize the use of pre-equilibrium information. In a chapter very related to the previous one, we asked if more realistic models, and therefore more detailed, of the ligand-receptor interaction still preserve the capacity to use PRESS. For this we considered a receptor model with two states, linked by a conformational change, and we evaluated the modulation capacity of the dynamic range as a function of the parameter space. For this, we developed a combination of computational techniques and statistics, which have general applicability. The ubiquitous elements of cell signaling routes that we mentioned and studied are interconnected in these routes. It is of interest, therefore, to ask if they change their properties, and if so, how they do it, due to interconnection. With this motivation we carried out a study in which we evaluated the effects of the interconnection of bio-molecular components in the transmission of information. For this, we took as an example a cascade model of 3-cycle kinases, perturbed the upstream system to study the propagation of direct information, and also perturbed the downstream system to study the propagation of reverse perturbation. In this case we developed analytical, computational and statistical tools, to give conclusions in terms of probability of occurrence in the parameter space, that allowed us to divide the behavior of the system according to whether it propagates only the direct signals, only the reverse ones or if it has bidirectional propagation. To conclude, in this thesis we studied aspects related to the transmission of information in cellular signaling routes, seeking to extract general principles and evaluating these principles with theory and numerical simulations, giving a preponderant role to the exploration of the parameter space.
Fil: Di-Bella, Juan Pablo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.