Theoretical Biology & Medical Modelling, 2005; 2: 18-18 (más artículos en esta revista)

La simulación dinámica del metabolismo de células rojas de la sangre y su aplicación al análisis de un estado patológico

BioMed Central
Yoichi Nakayama (ynakayam@sfc.keio.ac.jp) [1], Ayako Kinoshita (ayakosan@sfc.keio.ac.jp) [1], Masaru Tomita (mt@sfc.keio.ac.jp) [1]
[1] Institute for Advanced Biosciences, Keio University, Tsuruoka, 997-0017, Japan

Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0], que permite el uso irrestricto, la distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que la obra original sea debidamente citada.

Resumen
Antecedentes

Célula de simulación, que tiene como objetivo predecir el comportamiento dinámico y complejo de las células vivas, se está convirtiendo en una herramienta valiosa. En silico de los modelos humanos de glóbulos rojos (RBC), el metabolismo se han desarrollado por varios laboratorios. Un modelo RBC utilizando el E-Cell sistema de simulación ha sido desarrollado. Este modelo prototipo consta de tres vías metabólicas principales, a saber, la vía glicolítica, la pentosa fosfato vía y la vía metabólica de nucleótidos. Al igual que el modelo anterior por Joshi y Palsson, también modelos de efectos físicos como el equilibrio osmótico. Este modelo se utiliza aquí para la reconstrucción de la patología hereditaria derivados de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) deficiencia, que es el más común de deficiencia de glóbulos rojos en humanos.

Resultados

Dado que el prototipo de modelo no puede reproducir el estado de la deficiencia de G6PD, el modelo se modificó para incluir una vía para la síntesis de novo y un glutatión disulfuro de glutatión (GSSG) sistema de exportación. La novo glutatión reducido (GSH) se encontró vía de síntesis para compensar parcialmente la reducción de las concentraciones de GSH resultantes de la deficiencia de G6PD, con el resultado de que GSSG se podría mantener a una muy baja concentración debido a la activa sistema de exportación.

Conclusión

Los resultados de la simulación están en consonancia con la estimación de la situación real de las células con deficiencia de G6PD-. Estos resultados sugieren que la síntesis de novo glutatión GSSG y la vía de exportación del sistema juegan un papel importante en la mitigación de las consecuencias de la deficiencia de G6PD.

Introducción

Se han hecho muchos intentos para simular procesos moleculares en los sistemas celulares. Tal vez la zona de mayor actividad celular de la simulación es la cinética de las vías metabólicas. Varios paquetes de software que cuantitativamente simular procesos celulares y se basan en la integración numérica de las ecuaciones de la tasa se han desarrollado. Estos incluyen GEPASI [1], que calcula constante estados, así como el tiempo de reacción comportamiento; V-Cell [2], un solucionador de los no-lineal PDE / ODE / algebraica los sistemas que puede representar la geometría celular, y DBsolve [3], Que combina la continuación y el análisis de bifurcación.

El proyecto E-Cell [4, 5], que aspira a modelar y simular diferentes sistemas celulares, se puso en marcha en 1996 en la Universidad de Keio. La primera versión del E-Cell sistema de simulación, un paquete de software genérico para el modelado de la célula, se terminó en 2001. E-Cell versión 2, que es una versión de la primera célula de E-sistema, ahora también está disponible [6]. E-Cell versión 3, que permite múltiples algoritmo de simulación, es la versión más reciente [7]. El E-Cell sistema permite al usuario definir espacialmente compartimentos discretos como membranas, los cromosomas y el citoplasma. Las colecciones de moléculas en todos los compartimentos celulares se representan como números de moléculas, que se pueden convertir a las concentraciones, y estos pueden ser monitoreados y / o manipulada por el empleo de las diversas interfaces gráficas de usuario. Además, el E-Cell sistema permite al usuario no sólo el modelo determinista vías metabólicas, sino también a otras de orden superior procesos celulares, incluyendo los procesos estocásticos, como la expresión génica, en el mismo marco. Al utilizar el sistema de E-Cell, una célula virtual con 127 genes que son suficientes para la "auto-ayuda" [4] se desarrolló. Este conjunto de genes fue seleccionado de la información sobre los genomas de Mycoplasma genitalium, e incluye secuencias de los genes de transcripción, traducción, la glicolisis vía para la producción de energía, transporte de membrana, y la vía para la biosíntesis de fosfolípidos de membrana de producción.

Sobre la base de los modelos existentes de las vías única y enzimas, en los diversos modelos de silico humanos glóbulos rojos (RBC), el metabolismo se desarrolló primero por Joshi y Palsson [8 - 11]. Posteriormente, otros grupos desarrollado modelos RBC [12 - 15]. La RBC se piensa que es un buen objetivo para biosimulation porque amplios estudios en los tres últimos decenios han generado amplios datos sobre la bioquímica de enzimas y sus metabolitos. Además, los eritrocitos de muchas especies, incluidos los seres humanos, no contienen un núcleo o transportar genes. Esto significa que la expresión de los genes pueden ser excluidos del modelo, que simplifica mucho la biosimulation. Ocuparse de eritrocitos a partir de la glucosa en plasma y el proceso que por glicolisis, que genera el ATP moléculas que se utilizan en otros procesos metabólicos celulares. Las moléculas de ATP son en su mayoría consumidos por los sistemas de transporte de iones que mantener el equilibrio osmótico de la célula.

Aquí describimos nuestro modelo de la computadora RBC humanos, que hemos desarrollado sobre la base de modelos anteriores [8 - 13]. Nuestro modelo prototipo de la persona humana RBC consistía sólo de glicolisis, la pentosa fosfato vía, y el metabolismo de nucleótidos simples membrana de los sistemas de transporte, como la Na + / K + antiport canal. En este sentido, hemos contratado a este prototipo de modelo para reproducir la condición patológica de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) deficiency. Esta es la forma más común de deficiencia de la enzima hereditaria en eritrocitos, que provoca anemia, y más de 400 variedades de la deficiencia de G6PD se han identificado [16]. La deficiencia se sabe que sólo ejercen efectos leves, ya que no causa problemas clínicamente significativos en la mayoría de los casos, a excepción de la exposición a los medicamentos y los alimentos que causan hemólisis. Simulaciones por ordenador para el análisis de esta deficiencia se han comunicado [17 - 19], pero estos modelos de simulación consistió sólo de la glicolisis y la pentosa fosfato vía. Hemos encontrado que la inclusión de la glutatión reducido (GSH) y la vía de la biosíntesis del glutatión disulfuro (GSSG) sistema de exportación, que están involucrados en la represión de estrés oxidativo, la mejora de la capacidad del modelo para reflejar los verdaderos enfermos RBC. Esto sugiere que estas vías pueden compensar las consecuencias de la deficiencia de G6PD en eritrocitos humanos.

Métodos
Desarrollo del prototipo y modelo de simulación de experimentos

El E-Cell 1,1 versión del sistema fue utilizado como la plataforma de simulación en este trabajo. El software se puede descargar de http://www.e-cell.org/. Nuestro modelo prototipo de la RBC fue desarrollado sobre la base del conjunto de células modelo de Joshi y Palsson [8 - 11] con ligeras modificaciones (Figura 1]. Hemos modificado el modelo para representar a la oxidante inducida disminución de hexokinase y piruvato kinasa, y la máxima actividad de estas enzimas se les permite cambiar de acuerdo con la relación de GSH y GSSG. Las ecuaciones y los parámetros utilizados se derivan de la literatura [17]. Los parámetros cinéticos y las ecuaciones en el modelo original de Joshi Palsson y se sustituyeron con los obtenidos de la literatura [17, 20, 21] (Tabla 1] para que se ajuste el modelo a la medición de las concentraciones durante el cálculo del estado estacionario. El estado de equilibrio ha obtenido concentraciones de muchos metabolitos que son muy cercanos a los reales en eritrocitos (Tabla 2]. Sin embargo, las concentraciones de varios metabolitos, es decir, la adenosina, hipoxantina, inosina, 5-phosphoribosyl 1-fosfato y ribosa 1-fosfato, difieren de los valores experimentales. Estas diferencias se deben a los parámetros cinéticos y las ecuaciones utilizadas, y debido a que el metabolismo de nucleótidos en el modelo original fue representado como simple cinética de primer orden o equilibrio.

Los parámetros de la labor de Jacobasch et al. [30] se utilizaron en experimentos de simulación de la deficiencia de G6PD (Tabla 3]. Desde la ecuación de la tasa de deficiencia de G6PD es la misma que en la normal de las células, los parámetros fueron simplemente reemplazados en la deficiencia de la prueba. Hemos aprobado la We.G variante de la deficiencia de G6PD, porque sus parámetros están bien descritas en la literatura y su fenotipo es bastante grave. Como en el modelo original, la carga oxidativa se representa como la conversión de GSH a GSSG, y la ecuación se expresa como una simple cinética de primer orden.

Expansión del prototipo y modelo de simulación de experimentos

La síntesis de novo GSH y GSSG vías de exportación (Figura 3] se han añadido a la modelo prototipo. Las ecuaciones cinéticas y los parámetros de estas vías se obtuvieron de la literatura [31 - 33] (Tabla 4]. Dado que estas vías tienen muy baja actividad en las células normales, las concentraciones de metabolitos en el estado estacionario fueron casi sin cambios en el modelo ampliado. Las concentraciones que se indican en el cuadro 2 se utilizaron como el estado de equilibrio las concentraciones. Las condiciones empleadas para simular la deficiencia de G6PD ampliado utilizando este modelo son los mismos que los del modelo prototipo. Se sabe que la resistencia a múltiples proteínas asociadas (MRP1) y la fibrosis quística regulador de la conductancia transmembrana (CFTR) se expresan en RBC y humanos que participan en GSH y / o GSH conjugados de transporte [35]. Sin embargo, su tasa de ecuaciones y los parámetros no están disponibles, por lo que estas proteínas no fueron incluidos en este modelo.

Resultados y Discusión
Simulación de la deficiencia de G6PD utilizando el prototipo de modelo

El modelo prototipo fue utilizado para simular los efectos de la deficiencia de G6PD. G6PD es una enzima clave en la pentosa fosfato vía que convierte la glucosa 6-fosfato en gluconolactone 6-fosfato (GL6P); este simultáneamente genera NADPH. El metabolismo intermedio GL6P se metaboliza en ribulose 5-fosfato (Ru5P) a través de gluconato de ácido 6-fosfato (GO6P). Este proceso también genera NADPH. Esta reducción de potencia es empleado por varios otros procesos intracelulares, en particular la reducción de GSSG. Una de las principales funciones de GSH en la RBC es eliminar aniones superóxido y orgánicos hydroperoxides. Peróxidos se eliminan a través de la acción de la glutation peroxidasa, que los rendimientos GSSG.

La simulación de los experimentos se llevaron a cabo con el estado de equilibrio las concentraciones correspondientes a los de la normal RBC. Secuencial de los cambios en las cantidades de NADPH, GSH y se observaron ATP (Figura 2]. Hay un pico negativo en la concentración de ATP antes de las 10 h. Esto se debió al cierre de la vía pentosa fosfato. El Ru5P se produjo principalmente convertido a la fructosa 6-fosfato (F6P), y este metabolito se consume ATP para hacer fructosa 1,6-difosfato (FDP). El FDP de producción llevó a una acumulación de dihidroxi acetona fosfato (DHAP), y el metabolito no se utilizan para proporcionar ATP. La alta concentración GO6P podría mantener los niveles normales de concentración de GSH en la primera etapa de la simulación, pero después de la GO6P agotamiento de la tasa de Ru5P la producción se redujo drásticamente. Esta disminución en la concentración de Ru5P llevado a la disminución de las concentraciones de F6P.

En torno a 20 h, ATP fue rápidamente consumido y agotado. Dado que las concentraciones de ATP menos de la mitad de la concentración normal nunca se han observado deficiencias en la enzima [36], las celdas de esta condición probablemente será destruido. A pesar de que la vida media real de la deficiencia de G6PD-We.G tipo RBC es conocido por ser de 2,5 días [30], la longevidad de nuestro modelo de ordenador resultó ser mucho más corto (Tabla 3]. Dado que los datos sobre la concentración de metabolitos en eritrocitos con deficiencia de G6PD no están disponibles, no fue posible determinar si las concentraciones de metabolitos derivados de los experimentos de simulación refleja nuestros los que se observan en las células reales.

Simulación de la deficiencia de G6PD mediante la ampliación del modelo

Es evidente que la disminución de la actividad pentosa fosfato vía más rápida lleva a la muerte celular, y que la diferencia entre la simulación y las pilas de la celda real con respecto a la fecha de la muerte celular puede ser causado por la falta de una vía de la producción de GSH. Este itinerario puede compensar por la disminución de GSH. Un maduro RBC normalmente contiene 2 mM GSH, pero sólo contiene varios μ M μ M GSSG. Aunque GSSG reductasa desempeña un papel destacado en el mantenimiento de una estabilidad GSH / GSSG ratio, otros procesos, incluida la síntesis de novo GSH y GSSG vías de exportación, puede generar GSH en la deficiencia de G6PD-célula.

Después de la ampliación del prototipo de modelo para incluir la síntesis de novo GSH y GSSG exportación, los niveles de ATP se mantiene en el 80% de las células normales y es de larga vida (Figura 4]. Además, el GSH / GSSG ratio fue mayor (Figura 5]. Esto indica que la síntesis de novo GSH vía puede en parte compensar la bajada GSH concentraciones resultantes de la deficiencia de G6PD, y que la concentración de GSSG puede mantenerse a un nivel muy bajo debido a la actividad de exportación del sistema. Estas observaciones sugieren que estas reacciones podrían aliviar la anemia resultante de la deficiencia de G6PD. Se sabe que las personas con esta deficiencia no son normalmente anémicos y mostrar ninguna prueba de la enfermedad hasta los eritrocitos están expuestos al estrés oxidante. El efecto compensatorio de la síntesis de novo GSH y GSSG vías de exportación por lo que pueden ayudar a explicar por qué muchas variedades de la deficiencia de G6PD no tienen fenotipo evidente. Además, se ha propuesto que la alta frecuencia de la deficiencia de G6PD puede deberse a su capacidad para proteger contra la malaria. Nuestras observaciones sugieren que el mecanismo de compensación que hemos dilucidado pueden haber ayudado esta propagación de la deficiencia de G6PD, contrapesos, ya que los peores efectos de la deficiencia, por lo tanto, la disminución de su gravedad y de la promoción de la propagación de la enfermedad durante la evolución.

La determinación de una serie de vías metabólicas en el modelaje

Estos resultados mostraron que la síntesis de novo itinerario GSH y GSSG el sistema de exportación son esenciales para la simulación exacta de la deficiencia de G6PD en eritrocitos humanos. Anterior simulaciones de esta deficiencia no han incluido estas vías [17] y los resultados que genera son similares a los obtenidos utilizando nuestro modelo prototipo (Figura 2]. Nuestro prototipo y modelo de los anteriores modelos desarrollados por otros contienen sólo tres rutas metabólicas, a saber, la glicolisis vía, la vía pentosa fosfato y nucleótidos de la vía metabólica. A pesar de que estos modelos son suficientes para representar el estado normal de los glóbulos rojos humanos, que no son adecuados para simular condiciones irregulares como las deficiencias, ya que carecen de vías alternativas que normalmente no puede ser especialmente activa, pero puede compensar la deficiencia en cierta medida. De hecho, nuestros resultados indican que todas las vías metabólicas en la célula serán necesarios para desarrollar un modelo de propósito general que se puede utilizar para simular cualquier tipo de condición. Sin embargo, la dinámica de simulación basado en las ecuaciones cinéticas requiere una gran variedad de tipo de ecuaciones y parámetros cinéticos, y por desgracia, esos datos están disponibles rara vez como un conjunto completo. Recientemente, nuestro laboratorio propone un novedoso método de simulación que reduce la necesidad de este tipo de información [37]. Este híbrido dinámico / estático método de simulación combina las ecuaciones dinámicas con una tasa de flujo de enfoque y, en consecuencia, reduce el número de ecuaciones y parámetros de la tasa que se necesitan hasta en un 70-80%. Es posible resolver los problemas asociados con el desarrollo de un modelo que simula todas las vías metabólicas celulares.

La matemática el estado de equilibrio puede no ser el estado normal de las células reales

Durante esta simulación, análisis, nos dimos cuenta de que la longevidad de las enzimas debe considerarse a largo plazo en los experimentos de simulación. Si bien en nuestro modelo de las actividades de las enzimas oxidantes son disminuidos por, en general, las enzimas también ser degradados a través del tiempo. Esta disminución natural no está incluida en nuestro modelo. Como se muestra en este trabajo, el modelo prototipo fue capaz de lograr un estado de equilibrio. Sin embargo, este estado de equilibrio matemático, que es cuando los índices de la producción y consumo de todas las sustancias intermedias del metabolismo de igualdad, no puede representar con exactitud el estado de los eritrocitos en el cuerpo humano. Ese "estado de equilibrio matemático" nunca se produce en los organismos vivos, especialmente en los más altos organismos multicelulares. Más bien, en la homeostasis de los organismos multicelulares se mantiene mediante la sustitución de la pérdida de células desechables con celdas adicionales. Es posible que estas células desechables nunca alcanza el estado de equilibrio matemático. Así, un modelo que puede tolerar a largo plazo de simulación para el análisis de la patología de las enfermedades humanas no deben aproximación de las "matemáticas en el estado de equilibrio". Además, en caso de que el sistema llega a un estado de equilibrio con una cierta oscilación, es imposible obtener un estado de equilibrio matemático utilizando un modelo preciso. Se sabe, por ejemplo, que algunas de las principales enzimas en la glicolisis se unen a la proteína Band III, una proteína abundante en la membrana RBC humanos [38 - 40]. La interacción entre las enzimas glicolíticos Band III y varía en función de la proporción de oxyhemoglobin a deoxyhemoglobin, y se cree que esta interacción es el responsable de algunas oscilaciones en las vías metabólicas en los humanos RBC.

Conclusión

Hemos desarrollado un modelo informático de los glóbulos rojos humanos que se basa en un modelo anterior, pero se amplió mediante la introducción de una vía de síntesis de GSH y GSSG sistema de exportación. Con esta expansión, el modelo mantiene alta la concentración de ATP en la deficiencia de G6PD. Esto sugiere que estas vías pueden desempeñar un papel importante en la mitigación de las consecuencias de la deficiencia de G6PD. También indica que la sub-vías que no son normalmente muy especialmente activados pueden desempeñar importantes funciones en condiciones anormales como las deficiencias.

Contribuciones de los autores

Nakayama contribuido principalmente al modelo de desarrollo, Kinoshita contribuido al análisis, y Tomita desarrollado las ideas básicas y dirigió el proyecto.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Agradecimientos

Damos las gracias a Ryo Matsushima y Kazunari Kaizu para la prestación de asesoramiento técnico. Este trabajo fue apoyado en parte por una subvención del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (el principal proyecto para biosimulation y el siglo 21 el Centro de Excelencia (COE) Programa: Comprensión y Control de la Función de la Vida A través de los Sistemas de Biología), y en parte por una subvención de Nueva Energía y Tecnología Industrial de Desarrollo y Organización (NEDO) del Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón (Desarrollo de una infraestructura tecnológica para el Proyecto Industrial biológicos).