Transkriptionsnetzwerke

Transkript

1 Gliederung -Was sind feedforward loops (FFL) -Struktur/Verschaltung -Mathematisches Modell -Ecoli L-arabinose FFL -Ecoli Flagellensystem -Übersicht kohärente FFL -Übersicht inkohärente FFL -usammenfassung/diskussion

2 Transkriptionsnetzwerke -Informationsverarbeitende Prozesse Input Veränderte Transkriptionsaktivität Bindung an spezifische Gene Repression/Aktivierung (Inputfunktion) ellantwort - Verbildlichung als gerichteter Graph

3 Was sind FFL Feed-Forward-Loop Simples Regulationsmodell S S, Transkriptionsfaktoren S x,s y Inducer (Target-) Gen

4 Was sind FFL Feed-Forward-Loop Simples Regulationsmodell S S S S

5 Struktur Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Kohärente FLL Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Inkohärente FFL

6 Inputfunktion von Kohärente FFL Typ 1 -Gatter : und benötigt, um zu aktivieren OR-Gatter : oder reicht für -Aktivierung aus

7 Typ1 kohärente FFL in E.coli mit -Gatter Kohärente FFL Typ 1 CRP camp arac L-arabinose CRP camp Lactose, IPTG lacl arabad/ arafgh laca

8 CRP camp L-arabinose Mathematisches Modell Differentialgleichungen: arac d dt ( *, ) = B + β f K α (1) arabad/ arafgh CRP camp Lactose, IPTG lacl d dt ( * *,,, ) = B + β G K K α (2) laca

9 CRP camp L-arabinose Mathematisches Modell (cont) Differentialgleichung: CRP arac arabad/ arafgh camp lacl laca Lactose, IPTG d dt ( *, ) = B + β f K α Aktivator: (, ) f u K H u K = u 1+ K H Repressor: (, ) f u K = (1) 1 u 1+ K H

10 CRP camp L-arabinose Mathematisches Modell (cont) Differentialgleichung: CRP arac arabad/ arafgh camp Lactose, IPTG lacl d dt ( * *,,, ) = B + β G K K α -Gatefunktion: ( * ) ( *,, ) G = f K f K (2) laca

11 camp Synthese von f(*) Repressor CRP L-arabinose =CRP und S =camp 1 arac = inaktiv, falls S x = 0 0,5 arabad/ arafgh camp *= aktiv, falls S x = 1 Synthese von : f(*) u=k Aktivator t CRP Lactose, IPTG lacl laca (, ) f u K = H u K u 1+ K H 1 0,5 u=k t

12 camp Synthese von CRP L-arabinose =* S (camp) = 1 arac => * arabad/ arafgh camp =* S (L-arabinose Lactose) = 1 => * CRP Lactose, IPTG lacl laca

13 camp Simulation vs Experiment CRP L-arabinose arac arabad/ arafgh camp CRP Lactose, IPTG lacl laca Quelle: The Coherent Feedforward Loop Serves as a Signsensitive Delay Element in Transcription Networks

14 camp Diskussion / biologischer Hintergrund CRP L-arabinose Welchen Vorteil bringt die asymmetrische Antwort auf CRP arac arabad/ arafgh camp Lactose, IPTG lacl laca camp-präsenz? - zwei E.coli Lebenszyklen (im/außerhalb des Wirts) - Im Wirt: reiche uckervorkommen / nur kurze Glucosepulse - arasystem arbeitet, wenn beide Inducer präsent - Glucosevorkommen vorhanden > arasystem schnell abgeschalten (Ressourcen sparen) - Glucose von Wirt und E.coli rasch erschöpft - Tolerierbare Verzögerung der Aktivierung des arasystems spart Ressourcen - Persistenz-Detektor

15 Typ1 kohärente FFL in E.coli mit OR-Gatter S S FLhDC S S FLiA OR flilmnopqr OR

16 FLhDC S S Mathematisches Modell Differentialgleichungen: OR FLiA flilmnopqr d dt ( *, ) = B + β f K α d dt ( * *,,, ) = B + β G K K α Gatefunktion: ( * *) ( * *,,,,,, ) G = f K K + f K K c c

17 FLhDC S FLiA OR S Mathematisches Modell (cont) Gatefunktion: ( * *) ( * *,,,,,, ) G = f K K + f K K c c flilmnopqr (,,, ) f u K K v u K = u v 1+ + Ku Kv u c u v H H H

18 camp CRP L-arabinose arac Synthese von =* S (camp) = 1 => * arabad/ arafgh camp =* S (L-arabinose Lactose) = 1 => * CRP Lactose, IPTG lacl laca

19 Synthese von S FLhDC S FLiA OR flilmnopqr Quelle: A coherent feed-forward loop with a SUM input function prolongs flagella expression in Escherichia coli

20 Synthese von S FLhDC S FLiA OR flilmnopqr Quelle: A coherent feed-forward loop with a SUM input function prolongs flagella expression in Escherichia coli

21 Diskussion / biologischer Hintergrund FLhDC S S FLiA OR flilmnopqr Warum verlängerte -expression nachdem Abschaltung von Master-Aktivator? -Master-Aktivator von Vielzahl externer Parameter beeinflußt (Temperatur, Nährstoffe ) -Parameter ändern sich, wenn E.coli schwimmt Flagellensytem unsensibel bei kurzzeitiger Inaktivierung von Flagellensytem erst deaktiviert, bei langfristig guten Konditionen

22 Übersicht kohärente FFL (Verzögerung) Quelle: Structure and function of the feed-forward loop network motif

23 Übersicht Inkohärente FFL (Beschleunigung, Puls) Quelle: Structure and function of the feed-forward loop network motif

24 Inkohärente FFL - Pulsgeber Typ 1 Typ 4

25 Inkohärente FFL - Pulsgeber =* Typ 4 =* t

26 Inkohärente FFL - Beschleunigung Typ 1 Typ 4

27 Inkohärente FFL - Beschleunigung =* Typ 4 =*

28 usammenfassung / Diskussion kohärente FFL verzögern ielgen-antwort Inkohärente FFL beschleunigen ielgen-antwort oder pulsieren FFL vorzeichensensitiv / OR Logic Kohärente Typ1 FFL am häufigsten (E.coli & Hefe) => arbeitet mit Kooperativität Persistenz-Detektor

29 Papers 1. A coherent feed-forward loop with a SUM input function prolongs flagella expression in Escherichia coli [Shiraz Kalir, Shmoolik Mangan and Uri Alon*] 2. The Coherent Feedforward Loop Serves as a SignsensitiveDelay Element in Transcription Networks [S. Mangan, A. aslaver and U. Alon*] 3. Structure and function of the feed-forward loop network motif [S. Mangan and U. Alon ]