PLoS ONE: En Test af stærkt optimeret Tolerance afslører skrøbelige Cell-Cycle mekanismer er molekylære mål i kliniske Cancer Trials

Abstrakt

Robusthed, en længe anerkendt egenskab levende systemer, tillader funktion i lyset af usikkerheden mens skrøbelighed, dvs. ekstreme følsomhed, kan potentielt føre til katastrofale fejl efter tilsyneladende uskadelige forstyrrelser. Carlson og Doyle hypotese, at højt udviklede netværk, for eksempel dem, der er involveret i celle-cyklus regulering, kan være resistente over for nogle forstyrrelser, mens meget følsomme over for andre. Den “robust alligevel skrøbelig” dualitet af netværk er blevet betegnet stærkt optimeret Tolerance (HOT) og har været grundlaget for nye linjer undersøgelsesudvalg i beregningsmæssige og eksperimentel biologi. I denne undersøgelse testede vi arbejder hypotese, at cellecykluskontrol arkitekturer adlyder HOT paradigme. Tre celle-cyklus modeller blev analyseret ved hjælp af Monte Carlo følsomhedsanalyse. Overordnede tilstand følsomhed koefficienter, der kvantificere robusthed eller skrøbelighed en given mekanisme, blev beregnet ved hjælp af en Monte Carlo strategi med tre forskellige numeriske teknikker sammen med flere parameter forstyrrelse strategier til at kontrollere for eventuelle numeriske og prøvetagning artefakter. Ca. 65% af de mekanismer i G1 /S restriktion punkt var ansvarlige for 95% af følsomheden omvendt viste G2-DNA beskadigelse checkpoint en meget stærkere afhængighed af nogle få mekanismer; ~32% Eller 13 af 40 mekanismer tegnede sig for 95% af følsomheden. Vores analyse forudsagde, at Cdc25 og cyklin E mekanismer var stærkt impliceret i G1 /S fejlfunktioner, mens skrøbelighed i G2 /M checkpoint var forudsagt til at være forbundet med reguleringen af ​​cyklin B-CDK1 kompleks. Analyse af en tredje model indeholder både G1 /S og G2 /M checkpoint logik, forudsagde foruden mekanismer, der allerede er nævnt, at oversættelsen og programmeret proteolyse var også vigtige skrøbelige delsystemer. Sammenligning af de forudsagte skrøbelige mekanismer med litteratur og aktuelle prækliniske og kliniske forsøg foreslog en stærk sammenhæng mellem effektivitet og skrøbelighed. Således når de tages sammen, disse resultater understøtter arbejdshypotese, at celle-cyklus kontrol arkitekturer er HOT netværk og etablere den matematiske beregning og efterfølgende terapeutisk udnyttelse af skrøbelige mekanismer som en ny strategi for anti-cancer leadgenerering.

Henvisning: Nayak S, Salim S, Luan D, Zai M, Varner JD (2008) En test af stærkt optimeret Tolerance afslører skrøbelige Cell-Cycle mekanismer er molekylære mål i kliniske Cancer Trials. PLoS ONE 3 (4): E2016. doi: 10,1371 /journal.pone.0002016

Redaktør: Gustavo Stolovitzky, IBM Thomas J. Watson Research Center, USA

Modtaget: 9. januar 2008; Accepteret: 4 mar 2008; Udgivet 23. april, 2008

Copyright: © 2008 Nayak et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Forfatterne anerkende den nådige økonomisk støtte fra Cornell University center for Life Science Enterprise, en New York State center for Advanced Technology tilskud (til JV til støtte for SN) og Engineering Learning initiativer Undergraduate Research Awards ELI-650 og ELI-895 til MZ og SS The Cornell University Center for Engineering Learning Initiativer Undergraduate forskningsprogram Life Science Enterprise og spillede ingen rolle i udformningen og gennemførelse af undersøgelsen, i indsamling, analyse og fortolkning af data, og i forberedelsen, revision, eller godkendelse af manuskriptet

konkurrerende interesser:.. forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

evnen til at samle protein-protein og protein-DNA interaktion data , fx under anvendelse af gær-to-hybrid (Y2H) [1], [2], fluorescensresonansenergioverførsel (FRET) -teknikker [3], kvantitativ massespektrometri (MS) proteomiske eller kromatin Immunfældning (chip)-DNA mikro- array-teknikker [4], [5], har langt overhalet vores evne til at forstå det. Omdannelse store interaktion data til en bedre forståelse af de biomolekylære netværk underliggende sygdomsprogression og i sidste ende til nye behandlingsformer kræver integrerende værktøjer og strategier. Måske en strategi for at udnytte vores viden om interaktion netværk i effektive behandlinger ville være at identificere og udnytte svage eller skrøbelige mekanismer og samtidig undgå manipulation af robuste netværk interaktioner.

Robusthed, en længe anerkendt ejendom af levende systemer og netværk , tillader funktion i lyset af usikkerheden mens skrøbelighed, dvs. ekstrem følsomhed, kan potentielt føre til katastrofale fejl efter tilsyneladende harmløs perturbationer [6] – [10]. Forskellige faktorer kan påvirke, hvorfor elementer i et netværk er robuste eller skrøbelige. Venkatasubramanian og medarbejdere viste, at strukturen i komplekse netværk kan skyldes en afvejning mellem effektivitet og robusthed [11], mens du og Yin udforskede hvordan miljøet har formet de robuste egenskaber af bakteriofag T7 [12]. Leibler beregningsmæssigt forudsagt og senere eksperimentelt verificerede robuste funktioner af kemotaksi kontrol net [13] og Stelling

et al.

, Revideret flere eksempler på robuste biologiske netværk [9]. Måske ikke noget bedre eksempel på robusthed kan findes end celledeling. Cellecyklen er et af de mest grundlæggende og stærkt kontrollerede processer i biologi. Beslutningen om at opdele reguleres stramt integrere ekstracellulære signaler, såsom vækstfaktorer og hormoner, med intracellulære signaler, der koordinerer begivenheder, der førte til deling. Men på trods af omfattende kontrol og overvågning delsystemer vejledende progression af celler gennem division cyklus, behøver opstå fejlfunktioner som det fremgår af ukontrolleret spredning underliggende mange kræftformer [14]. Mens evolutionær tryk kan have programmeret celler at være robuste over for skiftende ernæringsmæssige miljøer eller varierende vækstfaktor tilgængelighed, måske sjældne udfordringer kan resultere i uforudsete konsekvenser. For eksempel, udsættelse for stråling, kan eksotiske kemikalier (kræftfremkaldende stoffer) eller endda Single-polymorfier (SNP) forårsage tilsyneladende uskadelige ændringer, som manifesterer sig i fordelingen af ​​celle-cyklus logik. Carlson og Doyle har en hypotese, at højt udviklede netværk kan være resistente over for visse forstyrrelser mens ekstremt følsomme over for andre. Den “robust endnu skrøbelig” dobbelthed af netværk og systemer er blevet betegnet stærkt optimeret Tolerance (HOT) og har været grundlaget for nye linjer undersøgelsesudvalg i beregningsmæssige og eksperimentel biologi [10].

Følsomhedsanalyse er et gunstigt værktøj til undersøgelse af robusthed og skrøbelighed i netværk har betydning for menneskers sundhed og mere generelt for modelbaseret viden opdagelse. Cho

et al

, brugt følsomhedsanalyse for at studere TNF-α-medieret NF-kβ signalering hvor parametrisk usikkerhed blev behandlet ved hjælp af en Monte Carlo parameter prøvetagningsprotokol.; en familie af tilfældige parametersæt, der genereres fra den bedste parameter gæt, blev anvendt til at beregne følsomheden profil i et område af parameterrum [15]. Bullinger og kolleger udforskede robusthed modeller af programmeret celledød eller apoptose [16], mens Stelling

et al.

, Beregningsmæssigt identificerede punkter af robusthed og skrøbelighed, hjælp Monte Carlo følsomhedsanalyse og overordnede tilstand Følsomhed koefficienter (OSSCs ), i modeller for døgnrytme [17]. Mahdavi

et al.

, Ansat følsomhedsanalyse til bedre at forstå stamceller differentiering [18], mens Luan

et al.

, Brugte en usikker mekanistisk model af koagulationskaskaden i kombination med Monte- carlo følsomhedsanalyse, at vise, at beregningsmæssigt afledte følsomme mekanismer var i overensstemmelse med antikoagulation terapeutiske strategier [19]. Følsomhedsanalyse er også blevet brugt til at integrere model identifikation og diskrimination med optimal eksperimentelle design. Flere optimale eksperimentelle design og identifikation model undersøgelser er bosat i litteraturen [20] – [24] sammen med mange teknikker til at estimere følsomhed koefficienter for modeller består af ordinære differentialligninger, differential algebraisk og stokastiske ligninger [25] – [28].

i denne undersøgelse beskæftiger vi matematisk modellering og Monte Carlo følsomhedsanalyse for at udforske arbejdshypotese, at celle-cyklus kontrol arkitekturer er HOT netværk. Hvis vores arbejdshypotese er sand, skal derefter skrøbelige celle-cyklus mekanismer (reaktion trin) blive overrepræsenteret blandt eksperimentelt observerede funktionsfejl underliggende solide og hæmatologiske kræftformer. Endvidere til manipulation af skrøbelige mekanismer i en terapeutisk sammenhæng, som er blevet foreslået af Kitano [29] være mere tilbøjelige til at fremkalde en virkningsfuld reaktion fra et net eller system, bør også være fremherskende i behandlingen litteraturen. Vi tester vores arbejdshypotese ved beregningsmæssigt screening tre overlappende kvalitative modeller af celle-cyklus kontrol arkitekturer; Vi beskæftiger Monte Carlo følsomhedsanalyse og k-midler clustering til rang-orden mekanismer celle-cyklus, og derefter kontrast de forudsagte skrøbelige og robuste mekanismer med litteratur. Hvis celle-cyklus kontrol arkitekturer adlyde HOT paradigme, så beregningsmæssige identifikation af skrøbelige mekanismer anvender protein-protein eller protein-DNA netværksmodeller kunne være en ny strategi for anti-cancer leadgenerering eller mere bredt som en strategi til at identificere og udnytte svaghed i vilkårlige netværk er relevante for menneskers sundhed.

Resultater

hele-cyklus model af Novak og Tyson (fig. 1), G1-S model af Qu

et al.

, (. figur 2A) og G2 /M-DNA beskadigelse model af Agudath (. fig 2B), blev gennemført fra litteraturen og screenet for skrøbelige mekanismer ved hjælp Monte Carlo følsomhedsanalyse [30] – [32]. Den Novak og Tyson model, der beskæftigede en kompleks beskrivelse af G1 /S og G2 /M checkpoints, programmeret protein-ekspression og nedbrydning, bestod af 18 dynamiske arter, 4 arter begrænsninger og 74 parametre. Massen-action G1 /S og G2 /M-DNA-skader modeller kun beskrevet den molekylære logik i deres respektive kontrolsteder G1 /S-model var sammensat af 16 dynamiske protein saldi, 2 arter begrænsninger og 44 parametre, mens G2 /M-DNA-skader model bestod af 15 dynamiske protein balancer, en begrænsning og 40 parametre. Parameterværdier for hver model blev taget fra litteraturen. Urapporteret oprindelige betingelser blev justeret, så simulerede model baner var kvalitativt i overensstemmelse med publicerede værdier (supplerende materiale Figur S1). De offentliggjorte parametersæt, med faste oprindelige betingelser, blev brugt til at generere tilfældige parametersæt (N = 500, medmindre andet er angivet) hvor hver nominel parameter blev forstyrres af op til ± 50%, ± 1-ordre, eller ± 2-ordrer størrelsesorden. Samlet State Følsomhed Koefficienter (OSSCs) blev beregnet for de tilfældige parameter familier for hver celle-cyklus model med tre forskellige numeriske algoritmer. For hver model, blev de gennemsnitlige OSSC værdier rangeret-bestilt og plottet. Arealet under kurven (AUC) blev anvendt til at måle den kumulative følsomhed bidraget fra hver parameter. En kumulativ cutoff på 95% af den samlede sensitivitet blev brugt til at udarbejde en liste over mekanismer (supplerende materiale Figur S2), som blev grupperet i tre grupper (høj, middel og lav følsomhed) ved hjælp af en k-betyder algoritme.

den Novak og Tyson model, der består af 18 dynamiske arter, 4 arter begrænsninger og 74 parametre, beskriver både G1 /S og G2 /M checkpoints og programmeret protein-ekspression og nedbrydning. Nomenklatur: Cdk1-cyklin-afhængig kinase 1, Cdk2 – cyclin-afhængig kinase 2, Cdk4 /6 – cyclin-afhængig kinase 4 eller 6, CycD – cyklin D, CycB – cyklin B, CycE – cyclin E, CYCA – cyclin A, GF – Vækst Factor, ERG – Gener hurtigt svar, DRG – Forsinket respons Gene, E2F – Transskription Factor E2F, pRB – retinoblastoma protein, p27 – En cyclinafhængige kinaseinhibitor (CKI), også kaldet Kip1, PPI – type1 protein fosfatase, IE – “mellemmand enzym “, PPX-a phosphatase inaktivere IE, APC – anafase-promoverende kompleks, en familie af E3 ligaser, CDH1 – en aktivator af APC klasse af ligaser, CDC20 – en aktivator af APC, Små røde cirkel med P betegner en phosphatgruppe, en (+) tegnet indebærer positiv regulering mens en (-). tegn repræsenterer negativ regulering

G1 /S model af Qu

et al

, består af 16 dynamiske protein balancer. , 2 arter begrænsninger og 44 parametre [31]. TheG2-DNA-skader model af Agudath består af 15 dynamiske protein saldi 1constraint og 40 parametre (30). Både G1 /S og G2 /M-modeller anvender masse action kinetik og parametrene er lineære i massebalancer. Nomenklatur G1 /S: Cdc25A – Dual Specificitet Phosphatase Cdc25A, Cdk2 – cyclin-afhængig kinase 2, Cdk4 /6 – cyclin-afhængig kinase 4 eller 6, CycE – cyclin E, CycD – cyklin D, E2F – transkriptionsfaktoren E2F, pRB – retinoblastoma protein , p27 – A cyclinafhængige kinaseinhibitor (CKI), også kaldet Kip1. Nomenklatur G2 /M: pMPF – pre-Modning Fremme Factor, et kompleks af CycB (cyclin B) og Cdk1 (cyclinafhængige Kinase1) i inaktiv form, MPF – aktive form af MPF, aCDC25 – aktiv Cdc25 phosphatase, iCDC25 – inaktiv form af Cdc25, aCDC25 (P-216) – aktiv Cdc25, phosphoryleret ved serin 216-rest, iCDC25 (P-216) – inaktiv Cdc25, phosphoryleret ved serin 216, 14-3-3σ – 14-3-3σ protein. I begge skemaer, små røde cirkler med P repræsenterer fosfat, en (+) tegnet indebærer positiv regulering mens en (-). Tegn repræsenterer negativ regulering

Omkring 65% af G1 /S mekanismer (reaktionstrin) var ansvarlig for 95% af følsomheden omvendt viste G2-DNA beskadigelse netværk en stærkere afhængighed af nogle få interaktioner. Af de 44 G1 /S reaktioner trin, 29 var ansvarlige for 95% af følsomheden (supplerende materiale Figur S2). Fordelingen af ​​skrøbelighed var ikke specifikke for en enkelt klasse af interaktion (Tabel 1). Den dephosphorylering af Cdc25, ekspressionen af ​​cyclin E, nedbrydningen af ​​cyclin E-CDK2-kompleks, og koncentrationen af ​​transkriptionsfaktoren E2F blev klassificeret som de mest skrøbelige reaktionstrin i G1 /S checkpoint (tabel 1, cluster I) . En tidligere model af G1 /S af Aguda

et al.

, [33] fandt, at selv om pRB og cyklin E-CDK2 dannede en positiv feedback loop, de ikke danner en skarp robust omskifter på begrænsningen punkt, dvs., at stigningen i aktiv cyclin E-CDK2-koncentrationen var gradvis og følsom over for modelparametre. Men tilsætning af Cdc25 til den positive cyklin E-CDK2-pRB feedback-loop, gjorde begrænsningen punkt robust til at modellere parameter variation, hvilket understøtter vores resultater om vigtigheden af ​​CDC25 interaktioner. Den syntese, aktivering og nedbrydning af CKIs udtrykket og nedbrydning af Cdc25, pRB koncentration, udtryk for cyklin D og cyclin E-CDK2 mekanismer dominerede andet lag af G1 /S skrøbelighed (tabel 1, cluster II). Tier-tre af G1 /S skrøbelighed involveret adskillige cyclin D mekanismer, cyklin E-CDK2-aktivitet og E2F medieret cyclin E-ekspression (tabel 1, cluster III). Når tilsammen det hårdest impliceret G1 /S protein var cyklin E, med 11 af 29 mekanismer, efterfulgt af CKIs med seks, Cdc25 og cyklin D blev hver involveret i fem skrøbelige mekanismer og E2F og pRB blev hver angivet to gange. Endvidere 16 af de 29 skrøbelige parametre blev funktionelt associeret med cyclin E og cyclin E-CDK2-aktivitet. Som forventet blev det udtryk og nedbrydning af G1 /S-fase cycliner og deres tilknyttede CKIs forudsagt at være vigtig. Men udtrykket og nedbrydning af cyklin E og andre det er interaktioner placeret højere end de tilsvarende cyclin D mekanismer med undtagelse af dissociation af cyklin E-CDK2-CKI kompleks. G2-DNA-skader netværk viste en stærkere afhængighed af nogle få mekanismer sammenlignet med G1 /S; ~32% Eller 13 af 40 mekanismer tegnede sig for 95% af følsomheden (supplerende materiale Figur S2). I overensstemmelse med G1 /S, ingen enkelt klasse af mekanismen domineret skrøbelighed listen. De mest følsomme mekanismer var relateret til genereringen og nedbrydning af cyclin B-CDK1 kompleks ellers kendt som Modning fremmende faktor (MPF) (tabel 2). De øverste fem mekanismer blev enten direkte eller tæt forbundet med dannelsen og aktiviteten af ​​MPF mens mekanismer, der fører deaktiveringen af ​​MPF, fx udtrykket, nedbrydning og aktivitet af p21, 14-3-3σ og Wee1 fosforylering domineret de resterende otte mekanismer ( tabel 2, klynge III). Aktivering af inaktiv MPF-komplekset, hvis ekspression reguleres negativt af p53, var den mest følsomme G2 mekanisme (tabel 2, klynge I), efterfulgt af preMPF generation, aktivering og transport af Cdc25 i kernen (tabel 2, cluster II). Konstateringen af, at alle Cdc25 relaterede mekanismer var mere skrøbelige end Wee1, er i overensstemmelse med tidligere arbejde af Aguda [34], som viste, at selv om både Wee1 og Cdc25 danner en fosforylering-dephosphorylering (PD) loop med MPF, kun Cdc25 kobling gav anledning til kvalitativt anderledes adfærd. Interessant, mens genereringen af ​​p53 selv var ikke forudsiges at være følsomme, interaktioner, der involverer p53 var fremherskende, fx ekspressionen af ​​inaktive MPF og p21, som begge er reguleret af p53, blev forudsagt at være følsomme. Ca. 77% af Novak og Tyson parametre (57 af 74) var ansvarlige for 95% af følsomheden (supplerende materiale Figur S2). Både globale og lokale komponenter i modellen blev forudsagt til at være skrøbelig. Det mest følsomme globale mekanisme var den translationelle effektivitet, mens lokale mekanismer som f.eks aktivering af IE (hypotetisk protein, der aktiverer E3-ligase CDC20), udtryk for cyklin B og CDH1 nedbrydning blev også forudsagt at være skrøbelig (tabel 3, klynge I). De sekundære mekanismer var forbundet med deregulering af programmerede proteolyse (tabel 3, cluster II). Interessant, mens andelen af ​​mekanismer, der er ansvarlige for 95% af følsomheden af ​​Novak og Tyson model var den største af de tre modeller, flere mekanismer i klynge III havde små OSSC værdier, herunder de fleste af G1 /S checkpoint logik. Således prøveudtagning den komplekse Novak og Tyson model produceret færre oplysninger end de mekaniske masse-action baserede G1 /S og G2-DNA skader modeller.

De kvalitative konklusioner prøveudtagning cellecyklen modeller var robust over valget af opløsningen fremgangsmåde og størrelsen af ​​parameteren forstyrrelse, men følsom overfor antallet af parametersæt i stikprøven. Tre forskellige numeriske teknikker blev brugt til at løse følsomhed ligninger til at kontrollere for eventuelle numeriske artefakter. Den ODE15s rutine i Matlab (The MathWorks, Natick MA), en tredje ordens tilbageskuende forskel implicit metode (BDF3, se supplerende materiale S1) og videresende finite forskel (FD), der genereres kvalitativt lignende følsomhed resultater (. Figur 3). Den laveste Spearman rang mellem to metoder (ODE15s versus FD for G1 /S-model) var 0,91 indikerer en værre tilfælde korrelation på ca. 91%. Interessant, mens Spearman rang angivne god overensstemmelse mellem de løsningsmetoder, der var statistisk signifikante ændringer i OSSC værdier angiver de løsningsmetoder systematisk flyttet mekanismer, dvs. forskellige OSSC værdierne blev beregnet, men rækkefølgen eller placeringen af ​​mekanismer blev opretholdt (se supplerende materiale tabel S1). To yderligere kontrol prøveudtagning blev udført for at kontrollere robustheden af ​​de kvalitative konklusioner vores analyse. Først blev forstyrrelse størrelse bruges til at generere tilfældige parameter familier varieres for at teste, om forskellige konklusioner ville have været tegnet med forskellige forstyrrelse størrelser; OSSC værdier beregnet over tilfældige parameter familier genereret ved hjælp ± 50%, ± 1-ordre og ± 2-størrelsesordener viste ingen kvalitativ forskel som kvantificeret ved Spearman rank korrelation for G1 /S-model (fig. 4). blev observeret Den værste tilfælde korrelation på 0,90 mellem ± 50% og ± 2-størrelsesordener sager indikerer i gennemsnit 90% af konklusionerne mellem de to sager var i overensstemmelse (fig. 4C). Sådan en stærk korrelation i Spearman rangerer på 2-størrelsesordener i parameterværdierne kunne antyde, at netværksstruktur (connectivity) er vigtigere end parameterværdier. Sammenligning af præcis lignende mekanismer på tværs af de tre modeller støttede hypotesen om tilslutningsmuligheder dominans, hvor mekanismer klassificeret som enten skrøbelige eller robust i G1 /S og G2-DNA-skader modeller blev også forudsagt at være vigtige i Novak og Tyson model, om end med forskellig rækker (tabel 4). Der var 11 mekanismer, der udkom netop i hver model blev 10 mekanismer klassificeret på samme måde, mens en blev rangeret inkonsekvent. For det andet, den kumulative Spearman rank korrelation mellem følsomhedsresultater dannet ved anvendelse af ODE15s, BDF3 og FD metoder for hver model blev beregnet som en funktion af antallet af parametersæt i stikprøven. Mens den kumulative Spearman rank konvergeret til populationsmiddelværdien som antallet af parametersæt steg, blev en populationsstørrelse afhængighed observeret (fig. 5). For hver model blev resultaterne rapporteret opnået i området af konvergens; derfor ville ingen nye oplysninger er blevet vundet, hvis yderligere tilfældige parametersæt blev udtaget.

Skaleret overordnede tilstand Følsomhed Koefficienter (OSSC) blev beregnet for hver celle-cyklus model over en familie af tilfældige parametre sæt (N = 500 medmindre andet er angivet), der genereres ved tilfældigt forstyrrende de offentliggjorte indstillet af ± 1-størrelsesorden. Tre forskellige numeriske metoder blev brugt til at løse følsomhed ligninger til at kontrollere for numeriske artefakter. A-C: Følsomhed resultater for Novak og Tyson model [32]. D-F: Følsomhed resultater for G1 /S checkpoint model af Qu

et al

, [31].. G-I: Følsomhed resultater for G2 /M-DNA beskadigelse model af Agudath [30]. De forskellige numeriske teknikker, der anvendes til at løse følsomhed ligninger giver kvalitativt lignende resultater som kvantificeret ved Spearman rank korrelation mellem to metoder (nederste højre hjørne af hver plot).

En familie af tilfældig parameter sæt blev konstrueret (N = 150) fra den nominelle sæt, hvor hver parameter blev forstyrres af op ± 50%, ± 1-ordre eller ± 2-størrelsesordener. Den ODE15s rutine Matlab (The MathWorks, Natick MA) blev anvendt til at løse følsomhed ligninger. A: Kumulativ Spearman rangerer mellem parametre sæt med ± 50% ændring og ± 1order forandring. B: Kumulativ Spearman rangerer mellem parametre sæt med ± 1-og ± 2-størrelsesordener forandring. C: Kumulativ Spearman rangerer mellem parametre sæt med ± 50% -og ± 2-størrelsesordener ændring

Den røde-stiplede linje i alle tilfælde angiver den kumulative Spearman Rank opnået ved stikprøver. alle parameter for eventuelle to metoder. A-B: Kumulativ Spearman rank versus antallet af parametersæt i stikprøven for G1-S-model under anvendelse af BDF3 og ODE15s metoder (A) og Finite Difference (FD) og ODE15s metoder (B), henholdsvis. C-D: Kumulativ Spearman rank versus antallet af parametersæt i stikprøven for G2-M-model under anvendelse af BDF3 og ODE15s metoder (C) og Finite Difference (FD) og ODE15s metoder (D), henholdsvis. E-F: Kumulativ Spearman rank versus antallet af parametersæt stikprøven for hele cyklus model ved hjælp af BDF3 og ODE15s metoder (E) og Finite Difference (FD) og ODE15s metoder (F), hhv. I alle modeller og numeriske metoder, den kumulative Spearman rang konvergerer mod befolkningen værdi, men hastigheden af ​​konvergens, dvs., at antallet af tilfældige sæt kræves der skal udtages prøver, er forskellig for hver model og metode.

diskussion

Litteratur beviser understøtter hypotesen om, at beregningsmæssigt identificerede skrøbelige celle-cyklus interaktioner repræsenterer effektive mål. Overvej skrøbelighed CDC25 mekanismer. Boutros

et al.

, For nylig revideret rolle CDC25 fosfataser og CDC25 hæmmere i human cancer progression og behandling [35]. Mens inhibering af Cdc25 som en kræftbehandling strategi er stadig i laboratoriestadiet har flere CDC25 inhibitorer i udvikling vist lovende resultater. Den Cdc25-inhibitoren PM20 hæmmet vækst i humane hepatomaceller-afledte Hep3B cellelinier ved en hæmmende koncentration (IC) 700 nM, PM-20 inhiberede også væksten af ​​adskillige andre cellelinier, omend ved højere IC’er [36]. BN82685, som inhiberede CDC 25A, B og C

in vitro

in vivo

og undertrykt vækst af HeLa og human pancreas tumor Mia Paca-2 xenotransplantater i athymiske nøgne mus, også hæmmede væksten af ​​humane cellelinier resistente over for cytotoksiske lægemidler fx den humane myeloblastisk leukæmi cellelinie HL-60 [37]. The Cdc25 antagonist, CPD-5, inhiberede væksten af ​​rotte hepatom cellelinie JM-1

in vitro

og muse cancercellelinie-line tsFT210 ved selektiv hæmning af Cdc25 [38]. Således hæmning af Cdc25 repræsenterer en farbar behandling, som kunne videreføres i klinikken. Hæmning og nedbrydning af den aktive cyclin E-CDK2-komplekset, den anden rangeret mekanisme i G1 /S-netværk, er også blevet udnyttet som en behandlingsstrategi. Bristol-Myers Squibb (BMS) udviklede BMS-387.032, en cyklin E-CDK2-inhibitor, med en IC50 på 95 nM [39]. Prækliniske og fase I ovariecancer undersøgelser viste, at BMS-387.032 besad bedre effekt end flavopiridol, en promiskuøs CDK-hæmmer [40]. Flavopiridol, den første cyclin-afhængig kinase inhibitor i kliniske forsøg, alene eller i kombination med andre lægemidler for tiden undersøges i 52 aktive fase I eller II undersøgelser [41]. Flavopiridol er blevet foreslået til behandling af tilbagevendende, lokalt fremskreden eller metastatisk bløddelssarkom [42], lymfom og myelomatose [43], metastatisk brystkræft (med Trastumuzumab) [44] eller i kombination med andre lægemidler (cisplatin og carboplatin ) til behandling af fremskredne solide tumorer [45]. Cyclin E-ekspression, den fjerde rangeret mekanisme i G1 /S-modellen, er også blevet udforsket terapeutisk til behandling af pancreas og lungekræft [46], [47]. Sammenhængen mellem skrøbelighed og behandling strategi viste sig også at være det i G2 /M-DNA-skader netværk. Aktiveringen af ​​preMPF (cyclin B-CDK1 kompleks), katalyseret af Cdc25 blev forudsagt at være det mest følsomme mekanisme i G2 /M-DNA-skader model, mens tre af de fire liste-to G2 /M-DNA mekanismer blev forbundet med Cdc25 aktivitet. Bryostatin-1, et protein kinase C (PKC) inhibitor og antagonist af cyclin B-CDK1-kompleks, er blevet udforsket i klinikken til behandling af myelomatose [48], recidiverende non-Hodgkins lymfom og kronisk lymfatisk leukæmi [49] . I prækliniske modeller har Bryostatin-1 demonstrerede monoterapi aktivitet mod B16 melanom, M5076 reticulum sarkom og L10A B-celle lymfom [50] og er blevet vist at forstyrre cyclin B-CDK1 kompleksdannelse og aktivitet af flere forskellige mekanismer [51] , [52]. Når tilsammen toppen skrøbelige mekanismer for både G1 /S og G2 /M faser af celle-cyklus, estimeret ved Monte Carlo følsomhedsanalyse, viste sig at være i overensstemmelse med den igangværende prækliniske og kliniske forsøg til behandling af et bredt spektrum af menneskelige kræftformer.

Modulation af translationel effektivitet og manipulation af programmerede proteolyse, fremtrædende figurerede blandt gruppen af ​​skrøbelige mekanismer på tværs af alle de modeller, er også aktive områder af terapeutisk udvikling. Initiering af translation i eukaryoter menes at være hastighedsbegrænsende [53] og overekspression af initiering komponenter, f.eks initieringsfaktor elF4E, forekommer hyppigt i humane cancere [54]. Arnqvist og medarbejdere udforskede oversættelse inhibering i MCF-7 brystcancerceller efter cycloheximid, puromycin eller emetin eksponering i nærvær og fravær af insulinlignende vækst faktor1 (IGF-1) [55]. Tilsætning af puromycin, cycloheximid og emetin i fravær af IGF-1 resulterede i øget apoptose ved 48 timer i forhold til kontrollen, men når IGF-1 var til stede, blev der observeret en dosisafhængig reduktion koncentration i apoptose. Bjornsti og Houghton nylig revideret en anden lille molekyle oversættelse inhibitor, Ramapycin [56], som hæmmer Mål af Ramapycin (TOR) protein, en serin /threonin-kinase involveret i oversættelse og andre funktioner. Mens Ramapycin har FDA godkendelse som et immunosuppressivt, har udvikling af anticancer behandlingsformer været langsom trods anti-tumor aktivitet mod etablerede solid-tumor-modeller [57], [58]. Ramapycin analoger er blevet evalueret i kliniske forsøg til behandling af forskellige indikationer, herunder pædiatriske patienter med recidiverende eller refraktær akut leukæmi og renal-celle karcinom [56], [59]. Peptidinhibitorer er også blevet anvendt til at nedregulere oversættelse fx BL22, et immuntoksin udviklet til behandling af kronisk lymfatisk leukæmi (CLL) [60], består af det variable Fv-fragment af RFB4 antistof konjugeret til anti-translation peptid PE38. Den anden gruppe af skrøbelige mekanismer forudsagt i Novak og Tyson og generelt i de G1 /S og G2 /M-DNA-skader netværk involverede deregulering af programmeret protein nedbrydning. Programmeret proteolyse via Ubiquitin Proteasome System (UPS), en kritisk komponent drivende cellecyklusfremadskriden [61], har været mål for flere forskellige terapeutiske udvikling [62]. Den ubiquination af målproteiner involverer koordineret aktivitet af ubiquitinaktiverende enzym familie (E1), ubiquitin-konjugerende enzym familie (E2) og ubiquitin-ligasen familie (E3) [63]. Selv om der ikke er blevet observeret E1 funktionsfejl i kræft, har deregulering af E3 og i mindre grad E2 aktivitet været direkte forbundet med kræft progression [63]. Den Novak og Tyson model har kun et skelet repræsentation af UPS, den imidlertid udtrykkeligt repræsenterer celledelingscyklussen protein 20 (CDC20), CDH1 og anafase-promoverende kompleks /cyclosom (APC /C), som alle er E3 komponenter. APC /C er kernen subunit, som adapteren proteiner CDC20 og CDH1 binder [64] – [66]. Inhibering af specifikke E3 ligaser fortsat en teknisk udfordring [67], men cis-imidazolin analoger kaldet Nutlins er blevet udviklet, som inhiberer MDM2, en E3-ligase ansvarlig for anerkendelse af p53.