Proč cyklové hodiny tikají?

A co to vypovídá o evoluci??

(Teoretické přístupy ke studiu BC

Ústřední hodiny buněčného cyklu

vstupy výstupy

centrální oscilátor(„cell cycle engine“)

velikostsignálypoškození ...

gen. expresemorfogeneze...

konzervativní

variabilní variabilní

O čem to bude?

• „Systémová biologie“ (systems biology)

• Samouspořádání (self-organization) v čase

• Modely BC

Karl Ludwig von Bertalanffy 1901-1972

1932,1940 – Theoretische Biologie

1952 – Problems of Life

Otec obecné teorie systémů (General Systems Theory)

A System is an assembly of parts or modules with an underlying hidden complexity that governs its structure and the dynamics

of its modules.

Systém

• definovaný soubor (množina) prvků resp. podsystémů a vztahů mezi nimi

• soubor prvků, který se ve stanovených vztazích projevuje jako celek a může vykazovat zajímavé vlastnosti, např.– stabilitu v širokém rozmezí podmínek vstupů a výstupů

– robustnost

– ...

Příklady vztahů mezi prvky systému

• Hierarchie

• Zpětná vazba

• Redundance ...

Biological System

“The large numbers of functionally diverse, and frequently multifunctional, sets of components interact selectively and nonlinearly to produce

coherent rather than complex behavior.”

-- Hiroaki Kitano, “Computational Systems Biology”

(Ivan M. Havel)

Lee Hartwell

Moduly a protokoly – příklad I:

• Modul: kámen ze stavebnice

• Protokol: zasunovací spojení

Moduly a protokoly – příklad II:

• Modul: MAPkinázová kaskáda

• Protokol: fosforylace cílových proteinů

(Univ. Gent)

„produce, manage, mine and model large volumes of (functional genomics) data, and to be able to derive new hypotheses about the function of genes and networks“

Samoorganizace

(a periodicita v prostoru a čase)

Jak vůbec lze zajistit periodicitu (v čase nebo prostoru?)

Alan TURING 1912-1954

1952 - Reakčně-difusní model

reakčně-difusní model(http://texturegarden.com/)

Minimální oscilátor (jeden z mnoha)

Je lepší než jiné?? Problém robustnosti!

(Ingolia a Murray, Curr. Biol. 2004)

Oscilátor v kontextu tradičního pohledu

Tyson and Novak, J. Theor. Biol. 210:249-263, 2001

Dva stavy „cyklových hodin“

Stav G1 S/M

CDK

APC

ORC prereplik. postreplik.

Start

Finish

(Novak et al., Phil.Trans.R.Soc.Lond.B 353:2063-2076, 1998)

Růst

Nedoreplikovaná DNANeúplná metafáze

Chen et al., Mol. Biol. Cell. 15:2841-3862, 2004

Východiska matematického modelu

Model minimálního cyklu• Jádro: CDK/cykliny

+ APC • Start regulován

růstem• Finiš regulován

dokončením replikace + vřeténka prostřednictvím „aktivátoru“ APC (ACT)

• Osciluje v širokém rozmezí parametrů!

(Novak et al., Phil.Trans.R.Soc.Lond.B 353:2063-2076, 1998)

Matematický model BC podle Tysona et al.

(demo)

Regulace – jemné ladění

• Růst působí prostřednictvím akumulace specif. nestabilních molekul z cytoplasmy v jádře – paralogy CDK/cyklinů (Cdk1/Cln)

• CDK inhibitory (Sic1) a regulační fosforylace Cdc25 „přídavkem“ k zajištění kontroly (checkpoints)

• Aktivátory APC: alternativní podjednotky – Cdc20 a CDK regulovaná Cdh1

Pokus o rekonstrukci evoluce BC

• Původní „hodiny“ byly jednodušší

• Co je nutné a co ne?

• Pomohou matematické modely??

Evoluční distribuce tradičních „centrálních regulátorů cyklu“

Regulátor A. thaliana S. cerevisiae H. sapiens

CDK1

CDK2

CDKA

CDKB

CDK4/6

CDKC

CDK7

CDKD

CDK8

CDKE

Cyclin

CKI

Cdc25 (typic.)

Wee1

Rb, E2F atd.

?

Současný pohled na fylogenezi eukaryot: rostliny „mají nárok“ být jiné?

(Simpson and Roger, Curr. Biol. 14:R693, 2005)

Ale: co jsou „centrální regulátory“??

Tradiční pojetí: „core cell cycle genes“ – geny hojně studované a asi důležité

• CDK, cykliny, CKI• kinázy a fosfatázy působící na CDK

(Cdc25, Wee1)• transkripční regulátory (pRB, E2F...) –

klavně pokud jsou též onkogeny, případně kontrolují expresi cyklinů a CKI

Co můžeme čekat ve světle modelu?? • CDK/cykliny S/M třídy• Jádro APC• Regulační podjednotky APC

(Cdc20/Cdh1)• Další podtřídy CDK/cyklinů• CDK inhibitory• Fosforylace/defosforylace CDK

(Cdc25/Wee1)• Transkripční regulátory kontrolující

„klíčové“ geny (pRB atd.)• „Výstupy“

„core cell cycle genes“ e.g. Vandepoele et al., Plant Cell 14: 903-906, 2002

Mír

a ko

nzer

vace

Regulátor A. thaliana S. cerevisiae H. sapiens

CDK1

CDK2

CDKA

CDKB

CDK4/6

CDKC

CDK7

CDKD

CDK8

CDKE

Regulátor A. thaliana S. cerevisiae H. sapiens

CDK1/2/4/5/6/A/B

CDK7/D/F

CDK8/E

CDK9/C

CDK10/11

Co nacházíme?

CDK a cykliny jsou konzervativní!

(viz 3. přednáška)

Ostatní regulátory a „regulátory“:

• APC, Cdc20, Cdh1: „první pohled“ – konzervativní (Capron et al., TiPS 8:83-89, 2003)

• CDK inhibitory –i u savců VELMI rozmanité (fylogeneze dosud není)

• Wee1 u rostlin je, Cdc25 není (aspoň ne u Arabidopsis a ne klasická – jiná doménová struktura; Ostreococcus má)

• mnoho údajů o Rb a trans. faktorech (E2F) – dobře konzervovány kromě kvasinek

Evoluční distribuce centrálních regulátorů BC (bez uvozovek)

Regulátor O. tauri A. thaliana S. cerevisiae H. sapiens

CDK 4 11 3-4 (1) 6

Cyclin 4 30 15 (9 „cyklových“) min.22

APC1-6 každá 1x APC3 2x, ost. 1x každá 1x každá 1x

APC7 1 1 ? 1

APC8/Cdc23 1 1 1 1

APC9 ? ? 1 ?

APC10/Doc1p 1 1 1 1

APC11 1 1 1 1

Cdc20 1 5 1 1

Cdh1 1 3 1 2

CKI 1? 7 1 6

Cdc25 (typic.) 1 atyp. 1 3

Wee1 1 1 2 2

Rb, E2F atd. každá 1x každá 1x-3x 0 každá 1x-6x

Evoluční distribuce centrálních regulátorů buněčného cyklu dává smysl ...

... (jen?) ve světle CDK-APC modelu!

Jak tedy asi vypadal ancestrální cyklus?

Minimum:

• CDK + cyklin + APC + Cdc20/Cdh1

• zřejmě již od počátku spřaženo s transkripcí