Post on 05-Apr-2015
Wieviel Modellierung braucht ein Biologie?
Dr. Peter FriedhoffInstitut für Biochemie,
Fachbereich Chemie und Biologie
Justus-Liebig-Universität Gießen
Systembiologie?
The Scientist (2003),17:26
Was ist der Unterschied zwischen einer lebenden und einer toten Katze?
Editorial Nature (2005), 341: 1
Eine Antwort ist „Systembiologie“:
„A dead cat is a collection of its component parts.
A live cat is the emergent behaviour of the system incorporating those parts.“
Biologische Systeme
Organismus
Organ
Gewebe
Zelle
Organell
…Voet & Voet (2004) Biochemistry 3.Ed.
Schlüsseleigenschaften von Systemen Systemstrukturen
Bestandteile biologischer Systeme sowie deren strukturelle Beziehungen
SystemdynamikVerhalten des System unter verschiedenen externen und internen Bedingungen
Systemkontrolle Mechanismen, die das System unter Kontrolle halten
KonstruktionsprinzipienDiese müssen in biologischer Systeme identifiziert und bei der Systemanalyse und der Erzeugung von gewünschten Eigenschaften genutzt werden.
http://www.bmbf.de/pub/systembiologie.pdf
Systembiologie
"Systembiologie untersucht das Verhalten und die Wechselwirkungen aller Elemente in einem bestimmten funktionierenden biologischen System“
Ideker, T.; Galitski, T.; Hood, L. (2001) Annu. Rev. Genomics Hum.Genet. 2Palsson, B. (2000) Nature Biotechnology 18, 1147-1150
http://www.bmbf.de/pub/systembiologie.pdf
Hypothesen-getriebene Forschung in der Systembiologie
Kitano (2002), Science 295 1662-1664
Systeme analysieren – Bottom-up, top-down, oder middle-out?
Top-down: Fängt bei höheren Detailstufen an und arbeitet sich zu niedrigeren Stufen vor
Bottom-up: von den Komponenten (DNA, Protein) zu den übergeordneten Systemen bis hin zum Organismus (oder höheren Stufen)
Prozesse in der Systembiologie
Datengewinnung Hochdurchsatzverfahren/Parallelisierung Quantitative Methoden Qualität/Standardisierung Datenbanken
Modellierung Chemisch-kinetische Modelle Diskrete Schaltkreismodelle …
Technologien zur Datengewinnung Institute for Systems Biology, Seattle, USA
Gene (DNA)DNA-Sequenzierung, Genotypisierung, Gen-Deletion, RNAi-knockouts
Genexpressionsmuster (RNA)Microarrays und DNA tagging Verfahren
DNA-Protein-InteraktionenChromatin-Immunoprezipitation und Gen-Chips (ChIP-Chip)
Protein-Protein InteraktionenTwo-hybrid-basierte Interaktionen, Affinitätsaufreinigung/Massen-spektrometrie, quantitative Proteomanalyse
Subzelluläre Protein LokalisationZellsortierung, molecular imaging von Reportergenen, Antikörperfärbung
In der Praxis sieht das dann so aus:Galaktose-Stoffwechsel in Hefe
Hwang, Daehee et al. (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17302-17307
Datenerfassung und Prozessierung
In der Praxis sieht das dann so aus:Galaktose-Stoffwechsel in Hefe
Hwang, Daehee et al. (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17302-17307
Modell des Netzwerkes
Strukturen, Dynamik und Kontrolle: E. coli Metabolismus
Massentransfer
* Quelle: EcoCYC
Metabolite
Enzyme
+Regulation
“Biology needs to graduate from the cartoon diagram”
Bruce Alberts, ehemaliger Präsident der US National Academy of Sciences
in einer Bemerkung auf einem Symposium mit Thema “Dynamics in Biological Networks”
in Princeton 2001
Vom Cartoon zum Modell:quantitative Modellierung
Massentransfer
* Quelle: EcoCYC
Metabolite
Enzyme
+Regulation
Quantitative Modelle
Empirische Modelle Beschreiben die Form der
Daten Parameter korrespondieren
nicht unbedingt mit biologischer/physikalischer Größe
Regression
Nicht-lineare Modellierung
Neuronale Netze
n
x
LogEC
YYYY
10
101
50
minmaxmin
Blu
tdru
cB
lutd
ruc
kk
Log (Dosis)Log (Dosis)
Quantitative Modelle
Physikalisch/Mechanistisch
Aufzählung der Komponenten, Beziehungen und physikalische Beschreibung der Interaktionen
Deterministisch oder stochastisch
PEESSE
SK
SVESk
dt
Pd
mcat
max
Beispiele für komplexe SystemeE. coli Metabolismus
Massentransfer
* Quelle: EcoCYC
Metabolite
Enzyme
+Regulation
Einfaches Modell mit Rückkopplung
www.celldesigner.orgwww.celldesigner.org
MAP Kinase Kinase Kinase
MAP Kinase Kinase
MAP KinaseMitogen-aktivierte Kinase
Simulation ohne Feedback
ZeitZeit
Kon
zent
ratio
nK
onze
ntra
tion
Simulation mit Feedback
ein oszillierendes System
ein oszillierendes System
ZeitZeit
Kon
zent
ratio
nK
onze
ntra
tion
Simulation mit FeedbackWas passiert, wenn …
ZeitZeit
Kon
zent
ratio
nK
onze
ntra
tion
2][
][2 KPMKKK
PMKKKvv
Dephosphorylierung durch Phosphatase
Die Aktivität der Phosphatase um 50 % reduziert wird
Simulation mit FeedbackWas passiert, wenn …
ZeitZeit
Kon
zent
ratio
nK
onze
ntra
tion
2][
][2 KPMKKK
PMKKKvv
Dephosphorylierung durch Phosphatase
Reduktion der Phosphataseaktivität um 50 %
Frequenzmodulation des OszillatorFrequenzmodulation des Oszillator
Vorgehensweise bei der Modellierunghier: kinetische Modelle
Verhalten des Modells unter verschiedenen Bedingungen (Parametern, Konzentrationen) (Simulation)
Schlüsselparameter erkennen (Systemanalyse) Vergleich mit experimentellen Daten (z.B.
Proteinkonzentration, Input/Output, Metabolitkonzentrationen) (Experiment)
Vergleich der Parameter in der Simulation mit denen aus Experimenten
Modell verfeinern (Iteration)
Kinetische Modelle in der Signaltransduktion
Sasagawa et al. Nat Cell Biol. 2005 Apr;7(4):365-73
Input
Output
Input
EGFepidermal growth factor transiente Stimulation
NGF nerve growth factor transiente und anhaltende Stimulation
ERK extracellular-signal-regulated kinase
Zelle reagiert mit Wachstum oder Differenzierung
Vergleich von Simulation (in silico) und Experiment (in vivo)
Sasagawa et al. Nat Cell Biol. 2005 Apr;7(4):365-73
Ou
tpu
t
EGF NGF
SimulationSimulation SimulationSimulation
In vivoIn vivo Daten Daten In vivoIn vivo Daten Daten
Verschiedene Ebenen – Verschiedene Modellierungen
Bornhold (2005), Science 310 449-450
„All models are wrong. Some models are useful.“
George Box
Nun fängt die Arbeit an ...
In vivo Kinetiken der Nukleotid-Exzisions-Reparatur
Friedberg, Nature Reviews Cancer 1, 22-33 (2001)
In vivo Kinetiken der Nukleotid-Exzisions-Reparatur
Fluoreszenz-markiertes XPC
UV-Schaden setzen Kinetiken verfolgen
Politi et al. (2005) Molecular Cell, 19, 679–690