proč cyklové hodiny tikají?
DESCRIPTION
Proč cyklové hodiny tikají?. A co to vypovídá o evoluci?? (Teoretické přístupy ke studiu BC. Ústřední hodiny buněčného cyklu. centrální oscilátor („cell cycle engine“). vstupy. výstupy. velikost signály poškození. gen. exprese morfogeneze. variabilní. variabilní. konzervativní. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/1.jpg)
Proč cyklové hodiny tikají?
A co to vypovídá o evoluci??
(Teoretické přístupy ke studiu BC
![Page 2: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/2.jpg)
Ústřední hodiny buněčného cyklu
vstupy výstupy
centrální oscilátor(„cell cycle engine“)
velikostsignálypoškození ...
gen. expresemorfogeneze...
konzervativní
variabilní variabilní
![Page 3: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/3.jpg)
O čem to bude?
• „Systémová biologie“ (systems biology)
• Samouspořádání (self-organization) v čase
• Modely BC
![Page 4: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/4.jpg)
Karl Ludwig von Bertalanffy 1901-1972
1932,1940 – Theoretische Biologie
1952 – Problems of Life
Otec obecné teorie systémů (General Systems Theory)
![Page 5: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/5.jpg)
A System is an assembly of parts or modules with an underlying hidden complexity that governs its structure and the dynamics
of its modules.
![Page 6: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/6.jpg)
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
– ...
![Page 7: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/7.jpg)
Příklady vztahů mezi prvky systému
• Hierarchie
• Zpětná vazba
• Redundance ...
![Page 8: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/8.jpg)
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”
![Page 9: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/9.jpg)
![Page 10: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/10.jpg)
(Ivan M. Havel)
![Page 11: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/11.jpg)
Lee Hartwell
![Page 12: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/12.jpg)
Moduly a protokoly – příklad I:
• Modul: kámen ze stavebnice
• Protokol: zasunovací spojení
![Page 13: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/13.jpg)
Moduly a protokoly – příklad II:
• Modul: MAPkinázová kaskáda
• Protokol: fosforylace cílových proteinů
![Page 14: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/14.jpg)
(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“
![Page 15: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/15.jpg)
Samoorganizace
(a periodicita v prostoru a čase)
![Page 16: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/16.jpg)
Jak vůbec lze zajistit periodicitu (v čase nebo prostoru?)
Alan TURING 1912-1954
1952 - Reakčně-difusní model
![Page 17: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/17.jpg)
![Page 18: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/18.jpg)
![Page 19: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/19.jpg)
reakčně-difusní model(http://texturegarden.com/)
![Page 20: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/20.jpg)
Minimální oscilátor (jeden z mnoha)
Je lepší než jiné?? Problém robustnosti!
(Ingolia a Murray, Curr. Biol. 2004)
![Page 21: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/21.jpg)
Oscilátor v kontextu tradičního pohledu
Tyson and Novak, J. Theor. Biol. 210:249-263, 2001
![Page 22: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/23.jpg)
Chen et al., Mol. Biol. Cell. 15:2841-3862, 2004
Východiska matematického modelu
![Page 24: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/24.jpg)
![Page 25: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/25.jpg)
![Page 26: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/26.jpg)
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)
![Page 27: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/27.jpg)
Matematický model BC podle Tysona et al.
![Page 28: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/28.jpg)
![Page 29: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/29.jpg)
![Page 30: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/30.jpg)
(demo)
![Page 31: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/32.jpg)
Pokus o rekonstrukci evoluce BC
• Původní „hodiny“ byly jednodušší
• Co je nutné a co ne?
• Pomohou matematické modely??
![Page 33: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/33.jpg)
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.
?
![Page 34: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/34.jpg)
Současný pohled na fylogenezi eukaryot: rostliny „mají nárok“ být jiné?
(Simpson and Roger, Curr. Biol. 14:R693, 2005)
![Page 35: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/36.jpg)
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
![Page 37: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/37.jpg)
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)
![Page 38: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/40.jpg)
Evoluční distribuce centrálních regulátorů buněčného cyklu dává smysl ...
... (jen?) ve světle CDK-APC modelu!
![Page 41: Proč cyklové hodiny tikají?](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081420/568151bf550346895dbff209/html5/thumbnails/41.jpg)
Jak tedy asi vypadal ancestrální cyklus?
Minimum:
• CDK + cyklin + APC + Cdc20/Cdh1
• zřejmě již od počátku spřaženo s transkripcí