Procesamiento de Señales en el TGF-β Superfamily ligando-receptor Red

El TGF-β señal de la vía de la siguiente manera aparentemente sencilla cascada abajo, avanzando secuencialmente a partir de la interacción con ligandos de los receptores transmembrana, a través de la fosforilación de las proteínas Smad mediador, las respuestas a transcripcional (Figura 1]. La simple lógica de esta cascada de transducción de señales contrasta fuertemente con la complejidad molecular de los procesos celulares implicados y la gran diversidad de las respuestas desencadenado.

A nivel molecular, existe un intrincado mecanismo de transducción de señales que integra las señales de los 42 conocido ligandos de la superfamilia de TGF-β, a través de los redireccionamientos de los dos principales reguladores Smad (R-Smad) canales (Smad1/5/8 o Smad2 / 3), y posteriormente se lleva a la práctica generalizada de control transcripcional de los más de 300 genes diana en una celda de forma dependiente de contexto [1] (véase la figura 2]. Los componentes de este mecanismo de incluir a los miembros de las dos principales familias de receptores (tipo I y tipo II receptores), una miríada de adaptador de proteínas, y el tráfico de los aparatos de la célula, que las proteínas lanzaderas entre diferentes compartimentos subcelulares. Cada ligando induce la formación de un complejo con receptores de tipo Iy tipo II, los receptores, que luego la señal a través de uno de los dos canales de Smad [2, 3]. La capacidad de la mayoría de los ligandos de obligar a varios de tipo I y tipo II, los receptores de los resultados en una compleja interacción ligando-receptor de la red (Figura 2].

En la fenotípica nivel, las respuestas son muy diversas. Los miembros de la superfamilia de TGF-β prototypically actuar como potentes reguladores de crecimiento negativo, pero, en función del tipo de células y el contexto, también pueden inducir la diferenciación, apoptosis, migración celular, la adhesión, y la deposición de matriz extracelular. TGF-β en sí es de particular interés en la investigación sobre el cáncer. En las células epiteliales, que suprime el crecimiento celular al inducir la detención G1 (mediado por la activación transcripcional de p15 y p21) [4], y su inactivación contribuye a la tumorigénesis. La versatilidad de la vía en la obtención de diferentes tipos de comportamiento es tal vez mejor resume en la omnipresente, y no paradójico capacidad de TGF-β a cambiar su función de supresor de promotor de crecimiento en las células epiteliales durante la progresión tumoral, [4, 5].

Actual de las teorías para explicar la variedad de respuestas a los miembros de la superfamilia de TGF-β de ligandos se centran principalmente en las redes de regulación transcripcional los que se activan: transcripcional cofactores de la R-Smads se expresan en diferentes niveles en una celda de manera específica, lo cual modifica Aguas abajo respuestas. De hecho, el papel de la inversión de TGF-β de negativo a positivo regulador de crecimiento se ha encontrado para ser asociado con un cambio conocido como fenotipo epitelial-mesenquimal transición, en la que las células cambiar el cofactores contratados por la R-Smads y adquirir móviles Fenotipos [5 - 7].

Es sorprendente, sin embargo, que tal variedad de respuestas complejas e intrincadas molecular componentes están conectados a través de sólo dos canales de Smad por ese simple abajo cascada de transducción de señales. Hay una riqueza de las observaciones experimentales que son difíciles de conciliar con esta observación. En particular, si los TGF-β actúa como un supresor de crecimiento o promotor puede depender de si el tumor de las células fueron cultivadas in vitro o in vivo [8]. En estas dos situaciones diferentes, la extracelular contexto determina la forma en que las células responden a TGF-β. Se ha sugerido que el TGF-β puede reprimir el crecimiento de las células en todo el tumor, que puede apagar el sistema inmune a nivel local, y que puede promover la angiogénesis. Todos estos efectos paracrinos ayudaría al crecimiento del tumor in vivo, en la que tiene que competir con las células vecinas. Hasta el momento, aunque atractiva, ninguno de estos mecanismos ha sido identificada como una alternativa causa de la TGF-β papel de la inversión.

La forma más directa en la que el contexto extracelular puede afectar el funcionamiento de la TGF-β es a través de la vía de señalización de otros ligandos de la superfamilia de TGF-β. Como hemos mencionado, los receptores y ligandos forma una compleja red de interacción, en donde múltiples receptores ligandos compartir, potencialmente acoplamiento su señalización. Todas estas interacciones son a su vez acoplado a los receptores de la trata de personas, que es conocido por ser un mecanismo que regula la transducción de señales [9, 10]. El tráfico ha sido investigada en detalle en numerosas vías de transducción de señales, como el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) y la proteína G-junto receptor (GPCR) itinerarios [11 - 13]. La típica forma en la que el tráfico de señalización y se está unido por la inducción de la internalización del receptor al ligando vinculante y activación de los receptores, como por ejemplo en el EGFR y GPCR vías. Después de la internalización, los receptores pueden activar otras vías de señalización, ser modificado de manera específica, y de ser objeto de una degradación o reciclaje de nuevo a la membrana plasmática.

Una peculiaridad de la TGF-β vía es que los receptores están constitutivamente internalizado, incluso en ausencia de ligando [14, 15]. El tráfico de la ruta que siguen los receptores, sin embargo, depende de si están o no en un complejo de señalización (Figura 3]. Diferentes rutas de señalización hará que los diferentes resultados y cómo afectan a los receptores son degradados. Por lo tanto, aunque la aplicación explícita de la acoplamiento es diferente que en el EGFR y GPCR vías, el tráfico y la señalización de los receptores son también firmemente en la vía de TGF-β.

Tomando todos los datos experimentales junto actuales, es evidente que muchos de los detalles de los procesos subyacentes siguen siendo en gran medida desconocido. Los recientes experimentos [14, 15], sin embargo, proporcionar información clave que permite el modelado computacional para cerrar la brecha entre los posibles mecanismos moleculares y experimentalmente el comportamiento observable. El TGF-β vía se encuentra en una etapa en que el descubrimiento de modelado puede ayudar a ganar "funcional" intuición.

Aquí computacionalmente caracterizan a los diversos tipos posibles de la conducta que la propia estructura de itinerario puede conferir en el sistema. Los tipos de conducta incluyen la persistencia de las respuestas a los cambios en la concentración de ligando que puede ser transitoria o sostenida y simultánea las respuestas a múltiples ligandos que se pueden pasar aguas abajo de forma independiente o dependiente de los demás.

Una respuesta sostenida implica que el estado de la señalización de la actividad es una función de la concentración de ligando. En este caso, el ligando la mayor concentración, mayor es la actividad de la vía. Para obtener una respuesta transitoria, precisamente, que vuelve a la prestimulus nivel, en contraste, el estado de la actividad es siempre el mismo y la vía sólo puede detectar cambios en la concentración de ligando. Cuando múltiples ligandos en una señal de manera dependiente, en la medida de la acoplamiento puede ser tal que un ligando puede suprimir los efectos de la otra. En este régimen, el itinerario no detecta concentraciones de ligando, pero los coeficientes de las concentraciones.

Como se muestra aquí, todos estos tipos de comportamiento pueden estar presentes en el TGF-β vía. Específicas de que uno es seleccionado está determinado por la interacción entre el tráfico y señalización. Así, el itinerario se puede establecer para detectar, en el nivel de receptores, los niveles absolutos de ligando, ligando los cambios temporales en la concentración, y los coeficientes de múltiples ligandos. Esta flexibilidad en la vía de la conducta puede dar lugar a diversos resultados fisiológicos que se han asociado con la progresión tumoral facilitado.

Con el fin de estudiar el procesamiento de señales potenciales de la red ligando-receptor, junto con los receptores de la trata de personas, nos montamos todos los elementos esenciales en una concisa modelo matemático que captura la lógica de los procesos subyacentes. El objetivo principal es representar a la mayor cantidad posible de la complejidad a través de un número reducido de las cantidades que han experimental directa interpretación.

Los elementos esenciales que consideramos son (Figura 4): (i) Ligandos inducir la formación de complejos con los receptores de tipo II y tipo I receptores. (Ii) Receptores y complejos ligando-receptor puede estar presente en dos compartimentos diferenciados espacialmente: membrana plasmática y interiorizado endosomes. (Iii) La señalización de la actividad es proporcional al número de complejos ligando-receptor que están presentes en la interiorizado endosomes [16]. (Iv) Receptores y complejos ligando-receptor se encuentran internalizados en endosomes y reutiliza en la membrana plasmática [14, 15]. (V) la degradación del receptor tiene una contribución constitutiva, que es el mismo de forma gratuita y los receptores de los complejos ligando-receptor [14, 15]. (Vi) la degradación del receptor tiene un ligando inducida contribución, que afecta sólo a los receptores que han sido complejos con ligandos [14, 15].

Utilizamos estos elementos para desarrollar un modelo matemático basado en la tasa de ecuaciones que describen la dinámica de ambos molecular cómo las diferentes especies se transforman en sí y la forma en que el tráfico entre los diferentes compartimentos celulares. Suponemos que la internalización, el reciclado, y la degradación de las tasas son proporcionales al número de receptores o ligando-receptor complejos, y que la formación de complejos ligando-receptor es proporcional a la concentración y ligando a la de tipo I y tipo II receptor de las concentraciones.

En un primer paso hacia la caracterización de los efectos de la señalización de acoplamiento con los receptores de la trata de personas, consideramos que sólo un único tipo de ligando está presente. Explícitamente, se estudia cómo los componentes de la canónica TGF-β-vía un ligando (TGF-β) y dos receptores (TGF β Alk5 y RII), como se destaca en la Figura 2-responder a los cambios en la concentración de ligando. Las ecuaciones matemáticas se muestran en la figura 4. Para el tráfico típico de las tasas (ver Materiales y Métodos], este modelo reproduce de cerca el tiempo típico de los cursos de Smad fosforilación a la adición de ligando (Figura 5 Ay 5 B).

El modelo computacional se puede utilizar también para analizar cómo afectan a los diferentes parámetros de comportamiento del sistema. Por ejemplo, el tiempo durante el que se eleva la actividad de señalización está relacionado con el tiempo necesario para la internalización y el reciclado de los receptores. Así, la señal de pico, o detener el aumento, en unos 30-60 minutos después de ligando además. Si la internalización y las tasas de reciclado son los cambios, la posición de la punta en consecuencia cambios (Figura 5 Cy 5 D).

Otros receptor transmembrana vías, como la vía EGFR, tienen mucho más rápido cinética; EGFR vía llega a la máxima actividad tan rápido como 5 minutos después de la estimulación [17]. La principal razón de estas diferencias es que la mayoría de los receptores de EGF están presentes en la membrana plasmática y que están listos para la señal a la adición de ligando. Un similar cinética se observa también para muchos GPCRs. En la vía de TGF-β, la internalización se produce continuamente, y sólo un 5% -10% de los receptores están presentes en la membrana plasmática en un momento dado [15]. El restante 90% -95% de los receptores son internalizados en endosomes. Los receptores tienen que ser reciclados de la endosomes de nuevo a la membrana plasmática, a fin de ser capaces de interactuar con el ligando, y este proceso toma alrededor de 30 minutos en promedio.

Podemos utilizar el modelo computacional para estudiar los efectos de diferentes mecanismos, como las distintas formas de degradación del receptor, sobre el comportamiento del sistema. Se ha observado que la adición de ligando puede estimular la degradación de los receptores de dos formas diferentes. Por una parte, los receptores de complejos con ligando en la membrana plasmática puede ser internalizado a través de una balsa de lípidos-caveolar degradación de la vía sin convertirse signalers activa [15]. El comportamiento obtenido en este caso es el que ya hemos descrito (Figura 5 A). Por otra parte, ligando-receptor complejos pueden seguir el estándar de la internalización clathrin vía, la señal, y luego de ser objeto de una degradación al regresar a la membrana plasmática [14]. Curiosamente, cuando este mecanismo es explícitamente el modelo, el comportamiento obtenido (Figura 5 E) es cualitativamente el mismo que la anterior (Figura 5 A). Del mismo modo, cuando tanto los mecanismos de degradación se consideran en conjunto, el mismo tipo de comportamiento se obtiene también (Figura 5 F). Así, en este nivel de detalle y de esta gama de valores de los parámetros, la aplicación de diferentes mecanismos que la degradación inducida por ligando puede conducir a un comportamiento similar.

¿Cómo es posible modificar la forma en que el sistema responde a los cambios en la concentración de TGF-β? Un análisis matemático del modelo (ver más abajo y Materiales y Métodos para más detalles) indica que la clave de la cantidad que determina el comportamiento cualitativo de la vía es la relación constitutiva de la ligando a la inducida por la tasa de degradación, a que se refiere, en definitiva, Como constitutivos de la degradación inducida por ratio (CIR). Esta cantidad se comparan las tasas de dos procesos de degradación y, en general, no tiene una simple expresión en términos de constantes de velocidad.

Dependiendo de la CIR, un cambio permanente en la concentración de ligando puede obtener respuestas entre dos extremos (Figura 6]. Para baja CIR, el ligando proceso de degradación inducida domina y hay un aumento transitorio de la actividad de señalización que vuelve a los niveles pre-estímulo (Figura 6 Ay 6 B). Por alto CIR, el proceso de degradación constitutiva domina y hay un elevado nivel permanente de la actividad de señalización (Figura 6 y E 6 F).

Por intermedio CIR, el comportamiento del sistema es una mezcla de ambos tipos de limitación de la conducta, con los componentes transitorios y permanentes (Figura 6 C y 6 D). Los valores de los parámetros precisos influir en la amplitud y el tiempo característico de la respuesta (véase, por ejemplo, la Figura 5 y C 5 D), pero su forma cualitativa, es decir, si la respuesta es transitoria (Figura 6 Ay 6 B) o permanentes (Figura E 6 y 6 F), sólo depende de la CIR.

La explicación intuitiva de ese tipo de comportamiento es la siguiente (para un detallado análisis matemático, véase Materiales y Métodos]. La probabilidad de un receptor de obligar a la ligando, y, por tanto, a ser activos, con aumentos de la concentración de ligando. Si el ligando no induce la degradación de los receptores, el número de receptores se mantiene constante y la actividad total aumenta cuando aumenta la concentración de ligando. Si el ligando induce la degradación de los receptores, el número de receptores comienza a disminuir después de ligando además, que en su momento atenuar la señal. En el estado de equilibrio, la producción y la degradación de los receptores de la igualdad de los demás. En el límite de la CIR va a 0, la señal se adapta por completo, porque la degradación es proporcional a la activación de los receptores, y, por tanto, la activación es también proporcional a la producción de receptores. Por lo tanto, es la tasa de producción de los receptores, no ligando la concentración, que determina el estado de equilibrio de señalización actividad.

Hay claros ejemplos en otras vías de transducción de señales que muestran que la limitación de estos dos tipos de comportamiento puede dar lugar a diferentes resultados fisiológicos. Por ejemplo, la activación transitoria de la cascada MAPK por EGF conduce a la proliferación de las células. En cambio, la permanente activación de la cascada de MAPK por NGF conduce a la diferenciación celular. En ambos casos, la activación de la cascada de MAPK induce la expresión de un regulador negativo que cierra la actividad de esta cascada. Las diferencias entre EGF y NGF y que se han atribuido a otras vías activadas por NGF que puede evitar la inactivación de las MAPK en cascada [18]. Nuestro modelo demuestra que este tipo de transitorios y permanentes de los tipos de comportamiento también pueden ser alcanzados sólo por el cambio de los patrones de tráfico, en particular ajustando el CIR, sin necesidad de expresar explícitamente un regulador negativo de cerrar después de la cascada de señalización.

Sorprendentemente, la duración de la actividad de señalización también parece afectar a los resultados fisiológicos provocados por TGF-β [19]. Células epiteliales que son sensibles a los efectos antiproliferativos de TGF-β (HaCaT y Colo-357) han sostenido la actividad de más de 6 h. En cambio, las líneas celulares de tumores de páncreas (PT45 y Panc-1) muestran corto transitoria acerca de la actividad de 1-2 h. Tan corto transitoria confiere resistencia a los efectos antiproliferativos de TGF-β, pero mantiene otras respuestas a TGF-β que puede conducir a un aumento de la invasividad y malignidad [19]. En nuestro modelo, los tipos de comportamiento diferenciado surgen naturalmente de los diferentes patrones de tráfico. En particular, transitorios cortos y sostenido respuestas implica una baja y una alta CIR, respectivamente.

En condiciones in vivo, en contraste con los típicos de los experimentos in vitro, exponer las células a entornos complejos con diferentes factores de crecimiento. Cuando varios ligandos de la superfamilia TGF-β están presentes al mismo tiempo, que puedan afectar a los demás de señalización (Figura 2]. Para estudiar la manera simultánea múltiples señales de entrada se integren en las respuestas coordinadas transcripcional, extendemos nuestro modelo computacional para considerar dos ligandos que la señal a través de dos receptores tipo II y una comprensión común de los receptores tipo I (véase Materiales y Métodos para la ecuaciones matemáticas). Este es el caso más sencillo de la señal de integración.

Intuitivamente, uno debería esperar las señales a las que se comparte cuando el receptor está saturado de ligandos y desacoplar ligando cuando las concentraciones son bajas. En saturación, el aumento de la concentración de un ligando, y por lo tanto la concentración de los complejos ligando-receptor, se comparte el receptor fuera de los complejos formados por el otro ligando, disminuyendo por lo tanto su señalización.

Un análisis matemático del modelo (ver Materiales y Métodos] indica que aun cuando los receptores están muy lejos de saturar ligando-condiciones, es posible que las señales de afectar a los demás. El elemento clave es de nuevo los receptores de la trata de personas. En esencia, el enganche se plantea porque la inducción de la degradación de la común por un ligando del receptor atenúa los efectos de los demás ligando, que también exige que el común de los receptores a la transducción de la señal.

Para las vías que trabajan lejos de la saturación del receptor, la interacción entre la trata y determina la forma de señalización simultánea de múltiples señales se pasan río abajo. Al igual que en el único ligando caso, hay dos tipos de comportamiento extremo (Figura 7): Por baja CIR, el ligando inducida proceso de degradación y domina las señales son totalmente acoplado (Figura 7 Ay 7 B). Por alto CIR, el proceso de degradación domina constitutiva y de señalización es desacoplar (Figura 7 F E y 7].

Cuando las señales son completamente unido, el estado de equilibrio de todos los complejos ligando-receptor sigue siendo constante y es independiente de la concentración de ligando. En este caso, el aumento de una señal disminuirá la otra de la misma cantidad. Cuando las señales son desacoplar, el número de cada una de las especies de los complejos ligando-receptor cambio con independencia unas de otras. En general, por intermedio CIR, se muestran las señales de un cierto grado de acoplamiento (Figura 7 C y 7 D). Estos resultados ponen de manifiesto que los cambios en los patrones de tráfico, y la correspondiente degradación, pueden alterar la manera en que la vía se integra múltiples señales simultáneamente.

El caso completamente unido es especialmente importante porque indica que un ligando puede inhibir los efectos de la otra. Ligando la degradación inducida por tanto, no es sólo un mecanismo transitorio para lograr respuestas, sino también para el acoplamiento de señales múltiples. El hecho de que el TGF-β puede señal no sólo a través de Alk5 sino también a través de Alk1 y Alk2 (Figura 2] potencialmente mayores TGF-β señales a los de Activin A, BMP 6, BMP 7, y MIS. Por lo tanto, si el TGF-β pierde sus propiedades supresor de crecimiento, que podría promover el crecimiento mediante la inhibición de otros factores de crecimiento supresor de las vías. Por ejemplo, hay dominante negativo TGF β RII mutantes que cuando se sobreexpresa atenuar la respuesta a TGF-β [20]. La presencia de cualquiera de estos mutantes y receptores TGF-β resultados en la formación de complejos de los receptores de inútiles que pueden orientar la degradación de los receptores, o receptores de distancia, que de otra forma estarían disponibles para la transducción de las señales de otros miembros de la superfamilia de TGF-β .

La función inversión de TGF-β de negativo a positivo regulador de crecimiento es una característica generalizada de la progresión tumoral y se asocia a menudo con endógeno sobreexpresión de TGF-β. Como hemos mencionado en la introducción, se asocia en algunos casos con el epitelio-mesenquimal transición [6, 7]. En estas condiciones, el programa de transcripción de las células tumorales cambios para que la Smad genes activados por promover el crecimiento en vez de reprimir.

En otras situaciones de esa transición no parece estar presente. Se ha observado en el cáncer de mama, de próstata, cáncer de colon y de las líneas celulares que la acción de TGF-β como promotor o supresor de crecimiento depende de si las células se cultivaron en un medio in vitro o in vivo en ratón xenoinjertos [8, 21, 22 ]. Las razones de este cambio siguen siendo en gran medida desconocido. Se ha especulado que podría ser una consecuencia de los efectos de TGF-β in vivo en el microambiente de las células del tumor. Otra posibilidad es que otros factores de crecimiento, tales como EGF, afectan a TGF-β cómo es, en última instancia, junto a la del ciclo celular. Nuestro modelo explícitamente demuestra que el papel es un retroceso potencialmente intrínseca consecuencia de la concepción de la interacción ligando-receptor y el tráfico de la red y de los mecanismos que podría ser el resultado de TGF-β atenuar los efectos del crecimiento de la supresión de las señales de otros miembros de la TGF-β superfamilia que pueden estar presentes en el entorno de células in vivo.

Nuestro modelo indica también que las condiciones que dan lugar a la integración completamente unida de múltiples señales son las mismas que, en un único sistema-ligando, señalización de la causa a la actividad completamente prestimulus adaptarse a su nivel. Sorprendentemente, esta de acuerdo con las observaciones en líneas celulares de cáncer de próstata, que muestran que el contexto en vivo no sólo puede hacer TGF-β factor de crecimiento, sino también que la respuesta in vitro a TGF-β es transitorio [8]. Uno debe esperar que el medio extracelular de los factores de crecimiento a ser más complejas in vivo que in vitro. Esta relación entre la in vivo e in vitro de comportamiento y su relación con el acoplamiento entre los receptores de la trata de personas y de señalización pone de relieve la importancia de comprender la forma en vías de transducción de señales están incrustadas en el microambiente celular bajo condiciones fisiológicamente relevantes. No sólo las mutaciones en la vía canónica, sino también los cambios en los patrones de tráfico puede mover la vía a un punto de funcionamiento diferentes.

Los resultados cualitativos de nuestro modelo, como el líder de los regímenes transitorios y permanentes, así como las respuestas a desacoplar totalmente acoplado y los modos de señal de la integración, no dependen de los detalles del modelo, pero en general las propiedades (ver Materiales y Métodos]. Así, las principales ideas también están relacionados con otras vías de transducción de señales que se acoplan a los receptores de la trata de personas. En particular, la revisión de los datos experimentales, se puede ver que si bien la interacción entre la adaptación y la integración de señales (Materiales y Métodos) también está presente en la vía EGFR (ver figuras 4 y 5 de la referencia [23]], en la que baja regulación de ErbB-2 por FEAG de acuerdo con la adaptación de la señal transmitida por EGFR.

Celular funciones están controladas por las redes de interacción de moléculas que actúan en distintos niveles de organización [24 - 26]. En este sentido, hemos desarrollado un modelo computacional concisa de la TGF-β itinerario que muestra que los receptores para el TGF-β superfamilia de ligandos no son sólo pasivas señal de transductores. Ellos están organizados en una red que es capaz de procesar las señales antes de pasarlos abajo. Los cambios en los patrones de tráfico del receptor puede modificar el tipo de comportamiento de la vía en respuesta a las únicas y múltiples ligando insumos. Ya en el plano del receptor, el itinerario puede detectar los niveles absolutos de los ligandos, los cambios temporales en la concentración de ligando, y los ratios de múltiples ligandos. Este nivel adicional de regulación puede explicar una amplia variedad de fenómenos, tales como el papel counterintuitive inversión de TGF-β de supresor de promotor del crecimiento, y lleva a una interpretación unificada de observaciones experimentales aparentemente dispares. Una de las principales cantidad que determina el comportamiento cualitativo de la vía es el CIR de los receptores. Para baja CIR, la vía responde a la sostenida transitoriamente cambios en la concentración de ligando, y la señalización de las múltiples actividades simultáneas ligandos pasado a depender de los demás. Ligando la degradación inducida por tanto, no es sólo un mecanismo transitorio para lograr respuestas y perfecta adaptación, sino también para el acoplamiento de señales múltiples.

Diversos experimentos pueden ser diseñados para poner a prueba la predicción del comportamiento de los tipos. La mayoría de pruebas directas que proceden de las mediciones bioquímicas de ligando inducida constitutiva y la degradación de las tasas [14, 15]. La degradación de las tasas observadas pueden estar relacionadas con las mediciones de los niveles de actividad de señalización. Por ejemplo, ligando la disminución de la degradación inducida por el bloqueo de la balsa de lípidos-caveolar vía con nistatina, como en la referencia [15], en caso de que el sesgo hacia el comportamiento del sistema permanente de las respuestas a paso los cambios en la concentración de ligando. Molecular intervenciones, como RNAi contra el ARNm de las proteínas implicadas en el tráfico de los procesos industriales y sus efectos sobre la actividad de señalización proporcionaría pruebas indirectas de que puede estar relacionada con los detalles del modelo. A causa de su bien establecida papel en el tráfico intracelular, pequeñas proteínas GTPasa Árabe [27] son las principales candidatas para este tipo de enfoque. Ciertas observaciones experimentales [8, 19], en relación con nuestro modelo sugieren que las células con fenotipos que favorecen la progresión tumoral tiene un nivel bajo de CIR. Más experimentos podría poner a prueba la medida de esa relación mediante la comparación de las tasas de tráfico y señalización de la actividad entre los distintos canceroso y no canceroso líneas celulares.

Se ha informado en el Cuadro 1, de referencia [15] que, después de 15 min de etiquetado de los receptores en la membrana plasmática, sólo el 8%, 6%, 4% y 2% de los receptores de la etiqueta permanecer en la membrana plasmática (los diferentes Porcentaje valores corresponden a diferentes condiciones experimentales). El resto de la etiqueta se han internalizado los receptores en caveolin-1, ya sea positivo o negativo caveolin-1 vesículas. Al utilizar la fórmula , Donde k _i es la tasa de internalización y _t f la fracción de receptores de la etiqueta que permanecen en la membrana plasmática después de un tiempo t, obtenemos la internalización de las tasas de 1/5.9, 1/5.3, 1/4.7 y 1/3.8 min ^{-- 1,} respectivamente. Hemos elegido k _i = 1 / (3 min) para la comparación con los datos experimentales en la Figura 5 B.

Figura 4 de la referencia [14] muestra que el 1,7% del número total de los receptores es internalizado por minuto. Cuando este valor se reajustarán por la fracción de receptores en la membrana plasmática, que se traduce en el 18% de los receptores de la superficie internalizado por minuto. Esto implica que esta tasa es la internalización k _i = 1 / (5,3 min), que es similar a los resultados obtenidos de referencia [15]. Los detalles de esta reestructuración son los siguientes. Matemáticamente, la incorporación constante de velocidad se define como , _Sur donde N es el número de receptores en la membrana plasmática. Mitchell et al. [14] medido , _Tot donde N es el número total de receptores. El hecho de que la mayoría de los receptores son internalizado, de modo que N _sur ≈ 0,1 N 0.1N _tot, conduce a k _i ≈ 10 k 10k _Mitchell El factor de 0,1 resulta del hecho de que la internalización de la tasa es de unos 10 × superior a la tasa de reciclaje. Por lo tanto, en condiciones estacionarias, el número de receptores internalizado es de 10 × mayor que el número de receptores en la membrana plasmática.

Active ligando-receptor de los lípidos complejos en balsa-caveolar compartimentos pueden contratar Smad7-Smurf2 [28], que luego de la degradación de los objetivos [15]. Referencia [15] demuestra que los receptores son internalizados a través de la vía y de los lípidos clathrin balsa-caveolar compartimentos con tasas similares. Hemos elegido _tapa k = 1 / (4min) para la comparación con los datos experimentales en la Figura 5 B.

Figura 3 de la referencia [15] demuestra que cuando los lípidos balsa-caveolar vía está bloqueada con nistatina, sólo ~ 30% de los receptores de la etiqueta inicialmente permanecer en la celda después de 8 h. Esto le da una característica de la degradación de tiempo ~ 400 minutos con respecto al número total de receptores. Reescalando este número a los receptores de la membrana plasmática, obtenemos . Hemos elegido _cd k = 1 / (36 min) para la comparación con los datos experimentales en la Figura 5 B.

Figura 3 de la referencia [14] muestra que alrededor de 30 minutos después de dejar de secretora de las células internamente etiquetados TGF-β receptores. Este índice de reciclado es similar a la del receptor de EGF. Hemos elegido k _r = 30 min para la comparación con los datos experimentales en la Figura 5 B.

Aquí se estudia matemáticamente las propiedades del estado de equilibrio del sistema con un único ligando. Al equiparar a 0 los derivados en el modelo de ecuaciones de la figura 4, obtenemos que el estado de equilibrio interiorizado número de complejos ligando-receptor es

Donde el estado de equilibrio de tipo I y tipo II en los receptores de la membrana plasmática son obtenidos por la solución de las ecuaciones

Con

La solución de estas ecuaciones es

Lo que lleva a

Para bajos valores de la c, la ecuación se reduce a 5

Lo que indica que el estado de equilibrio interiorizado número de complejos ligando-receptor es proporcional a la concentración de ligando y la producción de cada tipo de receptores.

Para valores altos de c, en cambio, obtenemos

Y

Por lo tanto, de alta o de baja concentración ligando constitutiva degradación, el estado de equilibrio interiorizado número de complejos ligando-receptor es controlado por el receptor con la menor tasa de producción y este número no depende de la concentración de ligando.

El caso de alto y de bajo c constitutiva degradación es especialmente interesante porque el estado de la señal no depende de la concentración de ligando, el ligando incluso cuando está presente en pequeñas cantidades. Una cuestión importante a abordar ahora es la siguiente: el sistema puede detectar cambios en la concentración en este régimen? Cuando la tasa de reciclaje es mucho más bajo que la tasa de internalización, el número de complejos ligando-receptor en la membrana plasmática equilibrates más rápido que todas las demás variables. Por lo tanto, suponiendo casi el equilibrio en esta variable, , Obtenemos que, de los cambios de la concentración de ligando (Δ [l]), las variaciones en el número de complejos ligando-receptor en la membrana plasmática (Δ [lR _I R _II]) siguen la ecuación

Tenga en cuenta que se ha supuesto que el número de receptores en la membrana plasmática se conserva en estas escalas de tiempo.

Para los pequeños cambios en la concentración de ligando, obtenemos

Esta expresión indica que para c alta, baja degradación constitutiva, el reciclado y la lentitud (en comparación con la internalización), el sistema puede detectar cambios en la concentración de ligando mientras que el mantenimiento de un estado de equilibrio señal de que no depende de la concentración de ligando.

Las ecuaciones de un sistema con dos ligandos con concentraciones [l ₁ l] y _[2] y son los siguientes:

Las variables _[I R], [R _{II, 1],} y [R _{II, 2],} son los números de tipo I y tipo II receptores en la membrana plasmática, y [l ₁ R _I R _{II, 1]} y [ L ₂ R _I R _{II, 2]} se refieren a los correspondientes complejos ligando-receptor. El overline indica internalizado los receptores y los complejos ligando-receptor. La actividad de señalización desencadenadas por cada ligando se supone que es proporcional al número correspondiente de internalizado complejos ligando-receptor. _Α k es la constante de velocidad de ligando-receptor formación de los complejos; p _{RI, RII} p, _1, y p _{RII, 2} son Las tasas de los receptores de la producción; k _i, k _{r, cd} k, y k _tapa, se la internalización, el reciclaje, la degradación constitutiva, y de la degradación inducida por ligando constantes de velocidad, y α es la fracción de receptores activos que se reciclan de nuevo a la Membrana plasmática y pueden interactuar de nuevo con el ligando.

Modelado computacional ofrece precisos conocimientos sobre el funcionamiento de la vía de TGF-β. Es posible ir un paso más allá y generalizar las condiciones que dan lugar a diferentes tipos de comportamiento cualitativo.

Vamos a considerar dos ligandos (l ₁ y l _2), un receptor de tipo I (I _I), y dos receptores tipo II (R _{II, 1} y R _{II, 2).} El receptor de tipo I es compartida entre los dos complejos ligando-receptor [l ₁ R _I R _{II, 1]} y [l ₂ R _I R _{II, 2].} Las siguientes ecuaciones de conservación se refieren al común de los receptores tipo I en estado estacionario.

Bajo condiciones estacionarias, el número de receptores producido (por la expresión de los genes) es igual al número de receptores degradadas:

Donde p es la tasa de producción del receptor, y d d _const y se _tapa la constitutiva y la degradación inducida por ligando las tasas, respectivamente. Suponiendo que una fracción δ de los receptores activados se degrada a través de un ligando inducida proceso de degradación, se puede expresar como _tapa d

Donde i _{un 1} y _{un 2} i son las tasas de formación de los complejos ligando-receptor ([l ₁ R _I R _{II, 1]} y [l ₂ R _I R _{II, 2],} respectivamente). Por lo tanto,

Nosotros explícitamente la limitación de considerar dos casos:

En el primer caso, no existe una degradación inducida por ligando _(const d> 0, δ = 0). Por lo tanto, hemos _tapa d = 0, lo que conduce a la p = d _const. Debido d _{const const} ≡ d (R _T) está en función del número total de receptores R _T, la condición anterior indica que el número de receptores se mantiene constante R _T = _const d ^-1 (p), donde ^-1 es d _const La función inversa de d _const. Por ejemplo, si el constituyente de degradación del receptor de la siguiente manera cinética de primer orden, _const d = γ γ R R _T, R _T = p / γ. En estas condiciones, si la tasa de formación de complejos ₍₁ + i _a i ₂₎ es pequeño (por ejemplo, para las concentraciones baja ligando), en comparación con la internalización y degradación constitutiva, no hay acoplamiento entre canales de señalización.

En el segundo caso, sólo existe la degradación inducida por ligando _(const d = 0, δ> 0). Por lo tanto, hemos δ p = ₍₁ + i _a i _{a 2),} lo que implica que la formación de un complejo ligando-receptor excluye a la formación de la otra. En este caso, el número de receptores en la membrana plasmática no permanece constante, sino que se ajusta de manera que para un determinado ligando la concentración de la tasa de formación de complejos (i _a1 + _a2 i) sigue siendo igual a p / δ. Como ejemplo explícito, la cinética i _{a 1} l = ₁ R _I R _{II, el 1} y ₂ = i _a l ₁ R _I R _{II, 2} implica _que R = p / (l ₁ R _{II, 1} + l ₂ R _{II , 2).} En estas condiciones, el modo completamente unida de la señal de integración se plantea incluso en el caso de bajas concentraciones de ligando.

Las condiciones que conducen a la modalidad de completamente unida señal de integración también conducir a la adaptación perfecta de un solo ligando. Consideremos, por ejemplo, i _{a 2} = 0. Cuando sólo existe la degradación inducida por ligando, el hecho de que la tasa de formación de complejos permanece constante implica p = δ δ i i _{a 1.} El estado de equilibrio del sistema es fijo, independientemente de la concentración de ligando. En consecuencia, los cambios en la concentración de ligando sólo puede obtener las respuestas transitorias que adaptarse por completo a la prestimulus nivel y el sistema exhibe perfecta adaptación [29].