A systems biology dynamical model of mammalian G1 cell cycle progression

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1 Genomica Funzionale e Bioinformatica Corso di Algoritmi per la Bioinformatica A systems biology dynamical model of mammalian G1 cell cycle progression Presentazione di : Del Corvo Marcello Matr. n

2 CICLO CELLULARE G 2 M G 1 S Serie ordinata di eventi che porta alla duplicazione e alla divisione cellulare. La durata del ciclo cellulare varia da cellula a cellula (da 30 minuti a diversi mesi). Una cellula si divide per permettere la riproduzione, per l accrescimento corporeo o per rimpiazzare altre cellule. Il ciclo di crescita, la mitosi (divisione del nucleo) e la divisione cellulare (citocinesi) costituiscono il ciclo cellulare.

3 CICLO CELLULARE G 2 M S G 1 La variazione totale della durata del ciclo cellulare dipende dalla durata variabile della fase G1 Il ciclo cellulare è contraddistinto da due fasi principali: Interfase = distinta a sua volta in G1 (primo gap) S (sintesi) G2 (secondo gap) fase M = mitosi e citocinesi Per la maggior parte del tempo le cellule si trovano nella fase di crescita che intercorre tra due divisioni, detta interfase.

4 I fattori di crescita possono indurre le cellule quiescenti (G 0 ) a dividersi G 1 precoce G 1 avanzata

5 Oncosoppressori: geni che controllano la proliferazione cellulare Rb (retinoblastoma) controlla il passaggio da G1 a S e fa sì che questo avvenga solo in presenza di appropriati segnali da parte di fattori di crescita. Per evitare che cellule con il DNA danneggiato procedano attraverso il ciclo cellulare Rb lega ed inibisce il fattore di trascrizione E2F.

6 1) Dogma centrale del ciclo cellulare Ciclina D Cdk 4,6 Parziale Inattivazione Rb E2F Proteina del retinoblastoma Fattore di trascrizione P Rb P E2F P Ciclina E Cdk 2 DNA DNA early G 1 late G 1 Viene indotta l espressione di geni i cui prodotti sono indispensabili per il passaggio alle fasi successive del ciclo cellulare

7 DNA 2) Dogma centrale del ciclo cellulare Ciclina D Cdk 4,6 p27 p57 p21 Ciclina E + Cdk 2 Ciclina E Cdk 2 Ciclina A S Cdk 2 Inattivazione completa P P Rb P E2F P

8 Recentemente alcuni studi hanno mostrato l inadeguatezza di questo modello. In particolare: _ Delezioni mirate dei geni codificanti cicline e CDK. _ Induzione dell arresto di G 1 tramite privazione metabolica del glucosio. _ Inoltre questo modello non è stato testato nelle cellule tumorali o nelle cellule esposte a continui fattori di crescita.

9 Dati sperimentali: Definizione di un nuovo modello _ Lo studio è stato effetuato su culture di cellule sincrone tumorali umane del colon, esposte a continui fattori di crescita. Attivo-E G1 Inattivo-L G1 Espressi costitutivamente Inattivo-E G1 Attivo-L G1

10 Dati sperimentali: Definizione di un nuovo modello _ Lo studio è stato effetuato su culture di cellule sincrone tumorali umane del colon, esposte a continui fattori di crescita. L inattivazione di Rb provoca il rilascio di E2F e quindi l espressione di Cyclin A e DHFR. Quindi il complesso Cyclin D:Cdk4/6 non è ne necessario ne sufficiente per l attivazione di Cyclin E:Cdk2.

11 Definizione di un nuovo modello Possibili modelli: _ Sono stati sviluppati diversi modelli matematici per spiegare i meccanismi dinamici del ciclo cellulare. _ Essi riflettono il paradigma corrente che prevede l oscillazione in fase del complesso Cyclin E:Cdk2 con Rb inattiva. _ Non è possibile integrare i nuovi dati sperimentali nei vecchi modelli: l espressione costitutiva di Cyclin D/E provoca una non realistica attivazione costante del complesso Cyclin E:Cdk2. Nuovo modello

12 Base del modello _ I complessi Cyclin D:Cdk4/6, Cyclin E/A:Cdk2 sono inibiti da p27. _ Il raggiungimento di una massa cellulare critica è un prerequisito necessario per il passaggio alla fase S. _ L arresto del ciclo in fase early g1 mostra nella cellula la presenza del complesso Cyclin D:Cdk4/6, Rb attivo ecycline:cdk2 inattivo.

13 Base del modello _ In lievito è presente un attivatore regolato metabolicamente del ciclo cellulare G1 Bck2. _ E necessario introdurre un nuovo elemento massacellulare dipendente detto modifier attivante Cdk2. _ Modifier è implementato come un interruttore funzionante all fine di early g1, in grado di indurre un cambiamento in Cdk2 richiesto per la sua attivazione.

14 Descrizione del modello in DCL Cdk4[01]: Cyclin D:Cdk 4 attiva prb che si lega a E2F Cdk2[011]:Cyclin E:Cdk2(M) inattiva prb che rilascia E2F

15 Simulazioni Hyperphosphorylated E2F & Rb Total Emi & total cyclin A Tecniche di ottimizzazione globale dei parametri forniscono un insieme di set di parametri che rendono il modello in grado di riprodurre quantitativamente i dati sperimentali

16 Descrizione del modello in DCL Il modello incorpora un meccanismo per spiegare le delezioni di cyclin E o Cdk2 intervenendo con il modificatore stesso Cdk2[012]:Cyclin A:Cdk2(M) Cdk1[11]:Cyclin A:Cdk1(M)

17 Simulazioni _Per spiegare gli esperimenti di delezione genetica ogni set di parametri è stato esaminato settando il tasso di sintesi delle rispettive proteine a zero. _Il sistema si è dimostrato robusto alle variazioni per quasi tutti i set di parametri. _Sono state accettate per ogni delezione le soluzioni per le quali Cyclin A provoca almeno il 20% del livello di attivazione riscontrato nelle simulazioni non perturbate. _Questi dati sono coerenti con il ruolo del modificatore d attivazione come un regolatore essenziale.

18 Simulazioni _Recenti esperimenti hanno mostrato come sia possibile inattivare parzialmente Cdk2/1 con l inibitore Roscovitine. _l inibizione di Cdk2/1 è stata simulata riducendo il tasso di Cdk al suo substrato a specifiche frazioni percentuali corrispondenti a differenti quantitativi di inibitore. _Il modello dimostra che per livelli superiori dell 80% di inibizione la frazione di prb attivo aumenta dopo 16 ore, mentre quella di prb inattiva diminuisce in accordo con gli esperimenti di laboratorio. _Ciò fornisce una prova di come sia necessario solo un basso quantitativo di Cyclin E:Cdk2 per inattivare completamente prb.

19 Modello della fase G1 del ciclo cellulare Combinando i dati di laboratorio con i risultati del modello matematico appare plausibile il seguente modello.

20 Modello della fase G1 del ciclo cellulare 1) Fase early G1: Cyclin D:Cdk4/6 attiva prb. 2) Fase late G1: l aumento di massa cellulare innesca il modificatore che guida l attivazione del pre-esistente complesso Cyclin E:Cdk2, seguito dall inattivazione di prb.

21 Modello della fase G1 del ciclo cellulare È ugualmente probabile che prb si attivi senza l aiuto del complesso Cyclin D:Cdk4/6, quest ultimo, inizialmente inattivo a causa di diversi inibitori(es:p16), col procedere di early G1 riuscirebbe a inattivare parzialmente prb.

22 Conclusioni La componente chiave del modello è l elemento attivatore ( modifier ) regolato dalla crescita cellulare. Esso ci dimostra come il metabolismo giochi un ruolo, ancora indefinito, nel ciclo cellulare e permette al modello di affiancarsi ai più recenti dati sperimentali. La presenza in lievito di un elemento con funzione analoga nello stesso pathway cellulare (Bck2) fornisce un ulteriore prova della correttezza del modello, attualmente la sua sequenza omologa nell uomo non è stata ancora identificata. Accertare l identità di questo elemento sarà un importante passo nello studio degli effetti terapeutici di farmaci che possono influenzare la fase G1 del ciclo cellulare.

23 Bibliografia Thomas Haberichter, Britta Mädge, Renee A Christopher (2006) A systems biology dynamical model of mammalian G1 cell cycle progression. Novak B, Tyson JJ (2004) A model for restriction point control of the mammalian cell cycle.