Sirkadiyen ritimlerde sağlamlık ve sıcaklık telafisi için negatif ve pozitif geri besleme döngülerinin sistematik analizi

Sirkadiyen ritim nedir? Salınımlar, herhangi bir canlı vücutta meydana gelen fizyolojik süreçlerde önemli bir rol oynar. Sirkadiyen ritim, temel bir biyolojik osilatörün böyle bir örneğidir. Çoğu organizma arasında sirkadiyen salınımın varlığı nedeniyle, içsel biyolojik saat, dış günlük saatle senkronize edilir. Neredeyse tüm canlı organizmalar, her 24 saatte bir kendini tekrar eden bir iç biyolojik saate sahiptir. Vücudun iç saati, uyku-uyanıklık döngüsü, hormon döngüsü, metabolik döngü ve daha birçokları dahil olmak üzere çeşitli fizyolojik döngüleri kontrol eder. Salınım, sistemde gecikmeli bir negatif geri besleme döngüsü mevcut olduğunda üretilebilir.

Sirkadiyen saat, hücrelerde ve dokularda bulunan belirli protein setlerinden oluşur. Sirkadiyen salınım moleküler düzeyde gerçekleşir. Hipotalamustaki üst kiyazmatik çekirdek (SCN), memelilerin çekirdek sirkadiyen saatinin bulunduğu yerdir. Saat, Bmal1, 1 başına, Per2, Per3, Ağla1, Cry2, rev-erbaVe Rora memelilerde sirkadiyen ritmi düzenleyen temel saat genleridir. Sirkadiyen saatin benzersiz özelliklerinden biri sıcaklık telafisidir. Bu senaryoda, saatin periyodu sıcaklıktan etkilenmez, ancak yine de kendisini çeşitli sıcaklık döngülerine göre senkronize etme kapasitesine sahiptir. Bir sirkadiyen osilatörün diğer dikkat çekici özelliği, hücresel gürültüye karşı sağlamlığıdır. Sirkadiyen osilatörler, farklı organizmalar için farklı şekilde inşa edilmiştir. Örneğin, ökaryotik sistemlerde sirkadiyen salınımlara gecikmeli bir negatif geri besleme döngüsü neden olurken, siyanobakterilerde sirkadiyen saat pozitif bir geri besleme döngüsü tarafından yönetilir.

Sirkadiyen osilatörlerle neden ilgileniyoruz? Bu çalışma sayesinde, ağ tasarımının sirkadiyen osilatördeki davranış değişikliklerini, özellikle sıcaklık telafisi ve biyolojik gürültülere karşı sağlamlık açısından nasıl etkilediğini daha fazla anlamayı amaçlıyoruz. Sirkadiyen saatin sağlamlığı ve sıcaklık telafisi için gerekli ağ özelliklerini anlamak için, negatif, pozitif veya hem pozitif hem de negatif geri bildirim mekanizmalarının bir kombinasyonunu içeren dört temel sirkadiyen saati inceledik.

Sirkadiyen saat modeline baktık. S. elongatus, üç saat proteininden oluşur: KaiA, KaiB ve KaiC. Bu karmaşık ağı Rust ve diğerleri tarafından araştırdık.1çok sayıda pozitif geri bildirim zincirinden oluşur ve metin boyunca buna siyano-KaiABC modeli (Şekil 1a) olarak atıfta bulunur. “Muhafazakar Goodwin osilatörü”2temel bir iki bileşenli negatif geri besleme döngü motifi de araştırılmıştır. Bu metinde, bu ağa İki Değişkenli Goodwin-NFB modeli diyoruz (Şekil 1b). Hernansaiz ve ark.3 Rust’ın ağına, tüm toplu eylem süreçlerini içeren ve onları daha basit hale getiren bir alternatif önerdiler. Bu ağ hem pozitif hem de negatif geri besleme döngülerinden oluşur. Ağı, birleşik pozitif artı negatif geri besleme (cPNFB) döngü modeli olarak adlandırdık (Şekil 1c). Selkov’un substrat tükenmesini seçtik4 pozitif geri beslemeli bir osilatör hakkında düşünmek için sistem. Modele Selkov-PFB adını verdik (Şekil 1d).

Şekil 1 Salınımlı ağlar, pozitif ve negatif geri besleme döngülerinden oluşur.

Siyano-KaiABC (a); İki Değişkenli Goodwin-NFB (b); cPNFB(c); ve Selkov-PFB (d) şematik bir şekilde gösterilmiştir. Her iki yönü gösteren çift ok, geri dönüşümlü reaksiyonları temsil eder. Kesintisiz oklar doğrudan süreçleri (sentez/degradasyon, fosforilasyon/defosforilasyon) gösterirken, kesikli oklar dolaylı düzenleyici reaksiyonları (aktivasyon (sivri ok ucu) veya inhibisyon (künt ok ucu)) yansıtır.

Bulgular ve tartışmalar: Bu ağlar arasında sıcaklık telafisi için saf negatif geri beslemenin (İki Değişkenli-Goodwin-NFB) en iyisi olduğunu bulduk (Şekil 2). Q10 sıcaklığın herhangi bir biyolojik süreci ve daha düşük bir Q’yu nasıl etkilediğini ölçer10 daha yüksek bir sıcaklık kompanzasyonu derecesini gösterir.

Şekil 2 Sıcaklığa bağlı salınım periyotları.

Dört ağın tamamında sıcaklık arttıkça salınım periyodu azalır. Açıklama, Q’yu görüntüler10 293K ve 303K sıcaklıkları arasında her model için tahmin edilen değerler.

Ayrıca sıcaklık telafili bireysel reaksiyonları da belirledik. İki değişkenli Goodwin-NFB modeli, hem tek (Şekil 3a) hem de iki (Şekil 3b) sıcaklıktan bağımsız reaksiyon senaryosunda diğerlerinden daha iyi performans gösterir. α olup olmadığı2 (İki Değişkenli-Goodwin-NFB) veya (siyano-KaiABC) reaksiyonu, bunlar negatif geri beslemenin doğrudan veya dolaylı denetleyicileridir. Tüm bu birincil ve ikincil sıcaklıktan bağımsız reaksiyonlar, Şekil 1’de gölgeli mavi veya sarı renkle vurgulanmıştır.

Şekil 3 Sıcaklık kompanzasyonlu reaksiyonlar.

Şekil, tek bir reaksiyonun (a) veya iki reaksiyonun (b) hızı sabit olduğunda, ancak diğerlerinin sıcaklık değişimlerine tepki vermesine izin verildiğinde, dört salınımlı ağ motifinin hepsinde salınım periyodunun ne kadar değiştiğini gösterir. Q10 karşılık gelen reaksiyonlar için değerler göstergede görüntülenir.

Dış gürültüye karşı bu dört ağın sağlamlık analizinde araştırmamızı daha da genişlettik. İki Değişkenli Goodwin-NFB modelinin en az sağlam olduğunu (%CV’ varyasyonunun en yüksek yüzde katsayısına sahipken), cPNFB modelinin en sağlam ağ olduğunu (%CV’ye sahip en düşük) bulduk (Şekil 4). Görünüşe göre sistemde pozitif geri besleme olması, tek başına negatif bir geri besleme döngüsünün yapamayacağı dışsal gürültüyü azaltıyor.

Şekil 4 Dört ayrı salınımlı ağın sağlamlık analizi.

298K’da grafik, toplam parametre değişimine yanıt olarak salınım periyodunun nasıl değiştiğini gösterir (rastgele seçilmiş bir parametrenin temel değerden ne kadar saptığı). Toplam parametre varyasyonu için 0,005 ile 0,015 arasındaki her bir model için örneklenen 200 parametre setinin her biri için varyasyon katsayısı yüzdesi (% CV) karşılık gelen renkle gösterilir.

Son olarak çalışmamız, pozitif ve negatif geri besleme döngülerinin bir kombinasyonunun sirkadiyen saatlerde gürültüyü daha iyi azaltabildiğini ve daha iyi sıcaklık dengelemesi için negatif geri besleme döngülerinin gerekli olduğunu belirlemeyi başardı. Negatif geri besleme döngüleri tarafından yönlendirilen reaksiyonların sıcaklık telafili salınımlar ürettiğini ayrıca gösterdik.

Referanslar:

  1. Rust, MJ, Markson, JS, Lane, WS, Fisher, DS & O’Shea, EK Sıralı fosforilasyon, üç proteinli bir sirkadiyen saatin salınımını yönetir. Bilim 318809–812 (2007).
  2. Gonze, D. & Ruoff, P. Goodwin Osilatörü ve Mirası. Açta Biyoteor. 69857–874 (2021).
  3. Hernansaiz-Ballesteros, RD, Cardelli, L. & Csikász-Nagy, A. Tek moleküller, ilkel biyolojik sensörler, anahtarlar ve osilatörler olarak çalışabilir. BMC Sist. Biol. 1270 (2018).
  4. SEL’KOV, EE Glikolizde Kendi Kendine Salınımlar 1. Basit Bir Kinetik Model. Avro. J. Biochem. 479–86 (1968).

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir