Mecanismos regulatorios de las propiedades de entrada-salida de informaciónen rutas señalización celular - Di-Bella, Juan Pablo (2019)
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.