PLoS ONE: Global Genetisk respons i en kræftcelle: selvorganiseret Sammenhængende Expression Dynamics

Abstrakte

Forståelse af grundlæggende mekanisme i spatio-temporale selvkontrol af genom-dækkende genekspression i indgreb med den komplekse epigenetiske molekylære samling er en af ​​de store udfordringer i aktuelle biologiske videnskab. I denne undersøgelse blev hele genomet dynamiske profil af genekspression analyseret for MCF-7 brystcancerceller induceret af to forskellige ErbB-receptor-ligander: epidermal vækstfaktor (EGF) og heregulin (HRG), der øger celleproliferation og differentiering, henholdsvis . Vi fokuserede vores opmærksomhed at belyse, hvordan den globale genetiske reaktioner opstår og at dechifrere, hvad der er et underliggende princip for dynamisk selvkontrol af genom-dækkende genekspression. Hele mRNA ekspression blev klassificeret i omkring hundrede grupper efter geometriske middelværdi udsving (

rmsf

). Disse udtryk grupper udviste karakteristiske tidsafhængige sammenhænge, ​​hvilket indikerer, at der findes kollektive adfærd på ensemble af gener med hensyn til mRNA-ekspression og også til midlertidige ændringer i udtryk. All-or-none respons blev observeret for HRG og EGF (bifasisk statistik) på omkring 10-20 min. Fremkomsten af ​​tidsafhængige kollektive adfærd af udtryk sket gennem tvedeling af et sammenhængende udtryk tilstand (CES). I ensemblet af mRNA-ekspression, den selvorganiseret CESS afslører tydelige karakteristiske udtryk domæner for bifasisk statistikker, som bl.a. udviser tilstedeværelsen af ​​kritikalitet i udtrykket profil som en rute for genomisk overgang. I tidsafhængige ændringer i udtrykket domæner, dynamikken i CES afslører, at den tidsmæssige udvikling af de karakteristiske domæner er karakteriseret som autonom bistabil switch, der udviser dynamisk kritikalitet (den tidsmæssige udvikling af kritikalitet) i genom-dækkende sammenhængende udtryk dynamik. Det forventes, at belysning af biofysisk oprindelse for en sådan kritisk adfærd kaster lys over den underliggende mekanisme for kontrol af hele genomet

Henvisning:. Tsuchiya M, Hashimoto M, Takenaka Y, Motoike IN, Yoshikawa K (2014 ) Global Genetisk respons i en kræftcelle: selvorganiseret sammenhængende Expression Dynamics. PLoS ONE 9 (5): e97411. doi: 10,1371 /journal.pone.0097411

Redaktør: Dante R. Chialvo, nationale videnskabelige og tekniske Forskningsråd (CONICET), Argentina

Modtaget: Januar 27, 2014 Accepteret: April 18, 2014; Udgivet: 15. maj 2014

Copyright: © 2014 Tsuchiya 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:. Denne undersøgelse blev finansieret af Tsuruoka City, Yamagata præfekturer regering, og GCOE program Keio Universitet, og blev delvist understøttet af tilskud-in-Aid, KAKENHI (nr. 23.240.044 og 25.103.012). De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre

Konkurrerende interesser:. Masa Tsuchiya er en PLoS ONE Editorial Board medlem. Dette ændrer ikke forfatternes overholdelse PLoS ONE Redaktionelle politikker og kriterier.

Introduktion

En af de grundlæggende udfordringer i livet videnskab er at afsløre den grundlæggende mekanisme, der ligger til grund for, hvordan genomet regulerer aktivitet af titusinder af gener i en selvstændig måde. Den nylige bemærkelsesværdige succes med IPS celler ved ektopisk ekspression af centrale transkriptionsfaktorer [1] har åbnet døren ikke blot at eventuel manipulation af cellen skæbne til en celle tilstand gennem somatisk genom omprogrammering, men også at forstå den genetiske mekanisme for udvikling og sygdom in vitro. Den eukaryote genom (epigenome) definerer en celle tilstand ved at bestemme dynamisk hvilke gener aktiveres eller arresteret; den cellulære proces arrangerer overordentlig komplekse molekylære struktur på gigantiske DNA-molekyler i samarbejde med nukleare proteiner ledsaget af dynamiske epigenetiske modifikationer [2]. Men vores nuværende forståelse af fundamentale spørgsmål, såsom hvordan kan genomet, som er en meget kompleks molekylær-system, selv at regulere genom-dækkende genetisk aktivitet, og hvad der er det ledende princip, som genomet driver celledifferentiering og omprogrammering, er stadig i sin barndom.

med hensyn til kontrollen af ​​genregulering, er det blevet rapporteret, at adskillige hundreder eller tusinder af gener i en gærcelle kultur er opreguleret i løbet af få minutter i en hurtig og genom-dækkende transkriptionel respons [3], [4]; i embryonale pattedyr stamceller, et par vigtige transkriptionsfaktorer (Oct4, Sox2, og NANOG) koordinere ekspressionen af ​​tusinder af gener med epigenetiske modifikationer ledsaget af epigenetiske molekyler såsom kromatin regulatorer [5].

Når vi granske dynamikken i biokemiske reaktioner i forbindelse med genekspression, ekspressionen af ​​hvert gen i en population af celler (f.eks MCF-7 humane cancerceller i denne rapport) bærer stokastisk støj, der hidrører fra intra- (intrinsisk) og inter-cellulær (extrinsic) processer [6] – [12]. Denne stokastik har konstruktive (korreleret) og destruktive virkninger (ukorrelerede) på biologiske processer, herunder reguleringen af ​​genekspression. Der findes to underliggende problemer med at forstå den robuste on /off styring af genekspression i en celle: støj i stokastisk udtryk og støj på grund af heterogenitet celletyper (celle-til-celle variation) i befolkningen

tilstedeværelsen af ​​stokastisk støj (på grund af den iboende virkning af en lavt kopital af mRNA’er af et gen per celle) tyder skabe ustabilitet i overflod af genetisk produkt, hvis systemet udelukkende er baseret på et meget stort antal af specifik nøgle-lås interaktioner (dvs. hvis vi inkluderer ikke det molekylære miljø) [13]. Ud over den støjende lavt kopital virkning, kan der ikke være nok statistisk antal molekyler i den lille plads af cellekernen: fordelingen af ​​den centrale grænseværdisætning ved binding ligevægt mellem nøgle og lås molekyler [14] kan øge den stokastiske (destruktiv) effekt på grund af tilfældige sammenstød mellem reaktanter (f.eks RNA-polymerase og DNA) på dynamikken i genekspression. Disse iboende virkninger bør medføre nedbrydning af den kollektive ensemble opførsel af genekspression.

ydre effekt af celle-til-celle interaktion kan generere ikke-genetisk heterogenitet (celle-til-celle variation genereret af det samme sæt af gener) [15], [16]. Forskellige processer i forskellige celletyper i populationen kan forårsage yderligere ustabilitet i robust regulering af ekspressionen af ​​et stort antal gener i cellen. I modsætning hertil en anden rapport foreslået, at celle-til-celle variation er i høj grad et resultat af deterministiske lovgivningsprocesser, snarere end stokastik på single-celle niveau [17]. En nylig teoretisk undersøgelse viste, at ydre støj spiller en vigtig rolle i heterogenitet inden for en population af celler gennem fænotype kobling i reguleringen af ​​genekspression [12]. vil være behov for yderligere forskning for at belyse væsentlige årsag til heterogenitet i en celle population.

Indtil for nylig har den mest udbredte mekanisme for selvregulering af genekspression været et genetisk netværk bestående af et stort antal af specifikke interaktioner, dvs. nøgle-lock komplekse molekylære interaktioner; genekspression er en dynamisk proces med udpakning DNA fra histon molekyler og udsætter en specifik region af dobbeltstrenget DNA til frembringelse af mRNA fra DNA sekvensinformation for et bestemt gen til at udføre en specifik cellulær proces. Den svimlende komplekse cellulære system, der opstår fra de dynamiske nøgle-lås molekylære interaktioner med indre og ydre stokastiske miljøer rejser et grundlæggende spørgsmål, på trods af den underliggende stokastiske natur og heterogent miljø: Hvordan kan en celle med en lille, kompakt kerne giver robust styring af koordinerede genom-dækkende genekspression [13]?

for at løse dette grundlæggende spørgsmål, kan vi ønsker at være opmærksom på den ‘støj’ af genekspression i genom-dækkende data gennem den kvantitative evaluering af stokastisk udsving at kaste lys på den skjulte mekanisme genom-dækkende global selvregulering. Vi undersøgte hele transkriptom aktivitet overvejer det samlede sæt af gener, dvs ekspressionen af ​​alle generne opnået fra microarray data, og sorteret alle mRNA-ekspression (normalt af størrelsesordenen titusinder) i henhold til graden af ​​ændringen i tidsmæssig ekspression fra en baseline, og dannede grupper af mRNA-ekspression (se fremgangsmåder). Gennem denne gruppering af genekspression i forskellige biologiske processer, har vi afdækket emergente lineære korrelationer (fx figur 1) [18] – [20]: dvs. globale ikke-lineære korrelationer mellem ensemble (gruppe) gennemsnit af tidsmæssige ændringer i udtryk og mRNA-ekspression med en stigning i

n Hotel (se detaljer i File S1). Disse globale sammenhænge indikerer tilstedeværelsen af ​​gennemsnit (gennemsnit field) adfærd i store og stokastisk genetisk aktivitet som skjult genom-skala kollektive adfærd. Det er velkendt, at eksistensen af ​​middelfeltstyrke adfærd tyder på tilstedeværelsen af ​​en styrende princip i fysisk mange-legeme (fx molekylær) systemer; således, genetiske gennemsnitlige felt adfærd tyder eksistensen af ​​de underliggende principper, der er »registrerede« af genomet som en helhed med den deraf følgende fremkomsten af ​​kollektive transportformer som omfatter koordineret aktivitet af tusinder af gener [Tsuchiya M, Hashimoto M, Tomita M, Yoshikawa K, Giuliani A, “kollektive Genome Wide Expression Modes: Større Roller Low-Varians Genes”., upubliceret]

overgangen fra spredte udtryk (første række;

N

= 22035) til tidsafhængig korrelation (anden række) er vist som den kollektive adfærd ensemble grupper: DEAB af A) udtrykket (symbolsk repræsenteret ved

ln

(

ε

(

t

)), kaldet blot ‘udtrykket ») og B) udtrykket ændring (

ln

(

ε

(

t

jeg

) /

ε Hotel (

t

jeg

-1))). Billedet viser tofasede genomiske reaktioner (bifasisk statistik) til HRG og EGF; plots af enkelt mRNA (

n

= 1; første række) og en gruppe af gener (

n

= 200; anden række) for A) udtrykket på

t

= 10 min (sort prik), 15 min (blå), og 20 min (rød), og B) udtrykket ændring fra

t

jeg

-1 = 10 min til

t

jeg

= 15 min (blå cyklus) og fra

t

jeg

-1 = 15 min til

t

i

= 20 min (rød), afspejler OFF-ON skifte down- til opregulering). Beslag omkring

x,

x

, afspejler det simple aritmetiske gennemsnit af

x

i en gruppe (

n

= 200).

den nye billede af gen-ekspression regulering kan forklares i form af en stærkt integreret dynamisk system i et flerdimensionalt fase rum udspændt af ekspressionsniveauerne af hele sættet af gener. Især selv mRNA-arter med meget lave intensiteter signal tillader det globale rekonstruktion af celle populationsdynamik, som i tilfælde af hæmatopoietiske stamceller celledifferentiering [21], hvilket er i overensstemmelse med det billede som følge af en analyse af hele transkriptom, som i høj grad tyder på tilstedeværelsen af ​​et sæt af begrænsninger, der tillader genomet til at fungere som et stærkt sammenhængende /kooperative system ( ‘genom feltet’ [22]). En lignende profil, der ligner den emergente ulineære korrelation ledsaget af udsving kan forekomme for distribution af single-genekspression for celler i kultur, når den indre (ukorrelerede) støj bliver lav [6].

I denne rapport, vi analyseret hele genomet udtryk dynamik (22035 prober og 18 tidspunkter; Methods), ledsages MCF-7 (human brystcancer) celleproliferation og differentiering gennem aktivering af ErbB-receptor med epidermal vækstfaktor (EGF) og heregulin (HRG) henholdsvis . HRG inducerer celledifferentiering ved at bevare ekstracellulært signal-reguleret kinase (ERK) aktivitet til fremstilling af en væsentlig phosphoryleret transkriptionsfaktor, c-Fos-aktivering, mens EGF stimulerer celleproliferation ved at inducere transient ERK aktivitet med ubetydelig c-Fos-induktion [23]. En tofaset signalering respons i forhold til Erb receptorsignalering dynamik med forskelle i C-Fos-niveauet blev belyst [23] – [25]

For at forstå, om der er særskilte genomiske responser i forhold til den tofasede signalering respons. har vi gennemført en omfattende analyse af hele genomiske respons for både HRG og EGF-ligand-aktivering på ErbB-receptoren af ​​MCF-7 brystkræftceller ved at gruppere gener baseret på tidsafhængige ændringer i udtryk. For at belyse, hvordan den globale genetiske reaktioner opstår og yderligere at dechifrere, hvad der er et underliggende princip for dynamisk selvkontrol af genom-dækkende genekspression, vi fokuseret på tidsafhængige globale genetiske reaktioner for de første 30 min efter ligand aktivering, som viser bifasisk genomiske responser (bifasisk statistik) til EGF og HRG.

i de følgende afsnit, viser vi, at det væsentlige scenarie på selvorganiserede udtryk dynamik gennem tvedeling af ensemble af sammenhængende udtryk afslører, hvordan genom-dækkende udtryk koordineres anderledes (alt eller ingen) i celleproliferation (EGF) og differentiering (HRG). Vigtigst, vi fat tilstedeværelsen af ​​kritikalitet som en rute for genomisk overgang og dens dynamiske ændring (dynamisk kritikalitet) i kollektive adfærd af mRNA-ekspression, som giver os en tankevækkende indsigt at forstå, hvordan en celle i befolkningen kan gennemføre den robuste dynamiske styring af hele genomet koordineret genekspression i kort tid, selv inden for lille, pakket nukleart rum. Endelig diskuterer vi en potentiel biofysisk oprindelse af kritikalitet fra konform overgang af genomisk DNA, der styrer transkriptionel aktivitet gennem en strukturel overgang [26], [27].

Resultater

Global Genetisk Respons Led af Group Dynamics af gener: Dynamisk Emergent Gennemsnit adfærd (DEABs)

Vi undersøgte hele transkriptom aktivitet i MCF-7 cancerceller stimuleret af HRG-beta og EGF på 18 tidspunkter (

t

= 0, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90 [min], 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24, 36, 48,

t

T

= 72 [h]), og anses for udtryk for alle prober (

N

= 22035; Gene Expression Omnibus database ID: GSE13009, se Metoder) tildelt hvert gen eller åben læseramme (ORF) i microarray data vi kalder sådanne prober ‘mRNA-ekspression “, som omfatter ekspression af gener samt ekspressionen af ​​varianter af mRNA. To ligander, EGF og HRG, aktivere erbB-familie-receptorer at have særlige celleskæbner (celledifferentiering og celleproliferation, henholdsvis) ved at fremprovokere forskellige sig- varigheder, som fører til ligandspecifik bifasisk produktion af c-Fos-proteiner efter 20 min. EGF provokerer forbigående ERK-aktivering, mens HRG inducerer vedvarende ERK-aktivering, hvilket alt eller intet (dvs. alle for HRG og ingen for EGF) responser af det phosphorylerede transkriptionsfaktor c-Fos [23], [25].

for at afklare, om disse to ligander kan fremkalde distinkte genomiske aktiviteter ved bedre at forstå de transkriptom udtryk dynamik, vi grupperet mRNA udtryk i henhold til standardafvigelsen for tidsafhængig udsving i udtrykket (

geometriske middelværdi udsving

:

rmsf

) for alle sonderne uden filtrering af de oprindelige data (se metoder). Da gruppen størrelse (

n

= 1, 100, 200, 300) steg, en ikke-lineær korrelation opstået fra spredte punkter på tidspunkt

t

, hvor udsving i grupper fra disse asymptotiske korrelationer reduceret som grupperingen størrelse

n

øget [19]. Dynamisk emergent gennemsnitsperioder (kollektive) adfærd (DEABs) blev bemærket i profilen af ​​

rmsf

mod logaritmen af ​​mRNA-ekspression,

rmsf

versus

ln

(

ε

(

t

jeg

)) (Figur 1A) eller

rmsf

mod tidsmæssige ændring i logaritme af mRNA-ekspression,

rmsf

versus

ln

(

ε

(

t

jeg

) /

ε

(

t

i

-1)) (Figur 1B), hvor beslagene, , betegne ensemblet /gruppe gennemsnit, og

ε

(

t

jeg

) afspejler mRNA-ekspression på tidspunkt

t

Jeg

(

i =

0,1,., 17). Herefter henvises til logaritmen af ​​mRNA-ekspression og den tidsmæssige ændring i logaritme af mRNA udtryk som

udtrykket

udtrykket ændring

henholdsvis.

DEAB af udtrykket på

tid

t

(figur 1A) afslørede en ikke-lineær sammenhæng mellem grupper baseret på gennemsnitlige værdier udtryksformer og

rmsf

på et fast tidspunkt. Når vi sammenligner DEAB af udtrykket mellem forskellige tidspunkter, dukker koordineret bevægelse af ensemblet af mRNA-ekspression i forhold til graden (dvs. standardafvigelse) på tidsbestemte svingninger af mRNA-ekspression (dvs.

rmsf

). I figur 1A, DEABs af udtrykket på tre tidspunkter (10, 15, og 20 min) viser en klar forskel mellem EGF og HRG: for EGF induktion, de overlapper, uden nogen tilsyneladende ændring, mens det for HRG induktion, i nogle grupper (

rmsf

0,42) distinkte skråninger blev set ved tre tidspunkter, og en særlig skarp ændring fra en negativ til en positiv hældning blev set mellem 15 min og 20 min, mens der ikke var nogen ændringer i de andre grupper (

rmsf

0,42). Således i DEAB af udtrykket, synes der at være dynamiske og statiske ensembler af mRNA udtryk; en mere stringent definition af udtryk ensembler er givet i det følgende afsnit.

På den anden side,

DEAB af udtrykket ændring

viser en markant ændring med tiden mellem forskellige tidspunkter (figur 1B) angivelse af, hvilke grupper er op- eller nedreguleret på en koordineret måde. Som vist i figur 1B, er en alt-eller-intet respons også set i reguleringen af ​​mRNA-ekspression; som svar Globaliseringsfonden, DEABs er næsten balance (dvs. næsten nul gennemsnitlige ændring i udtryk), mens det i HRG respons, for

rmsf

0,42, den tilsvarende DEAB viser en markant ændring fra nedregulering (10-15 min) til opregulering (15-20 min). I modsætning hertil DEAB for

rmsf

0,42 ændret fra næsten balanceret eller opregulering til nedregulering. Således i HRG respons, de dynamiske ændringer i DEABs både udtrykket (figur 1A) og udtrykket ændring (figur 1B) var i overensstemmelse for

rmsf

0,42, mens ændringer i modsatte retninger blev set for

rmsf

0,42. Disse midlertidige ændringer i DEAB af udtrykket og udtrykket ændring vil blive behandlet som selvstændige sammenhængende udtryk dynamik.

Dernæst undersøgte vi frekvensen fordelinger af mRNA-ekspression ifølge DEAB at forstå de biofysiske fænomener, der ligger til grund for genekspression dynamik . Profiler, der omfatter tusindvis af mRNA kan give oplysninger om de biofysiske love, der ligger til grund for mRNA ekspression dynamik, såsom Gauss fordeling for Brownske dynamik og power-lov adfærd til skala-fri interaktion. Desuden ændringer i profiler, fx en ændring fra unimodal til bimodal, kan afsløre nogle kritiske fænomener [28] – [30].

I figur 2, frekvenshistogrammerne udtryksformer (15-20 min) ændring fra en unimodal (

rmsf

0,42) til bimodal distribution (

rmsf

0,42) for begge EGF og HRG ensemblet grupper. Interessant, i HRG respons, frekvensen distributioner for

rmsf

0,42 mellem 15 min og 20 min overlapper ikke; profilen deformeres med et skift i top fra

ln

(

ε Hotel (15 min)) = 1,8 til

ln

(

ε

( 20 min)) = 2, som kaldes

unimodal skift

. Ellers frekvensen distributioner på 15 min og 20 min næsten overlapper hinanden.

Profilerne af frekvensfordelingen af ​​udtrykket (

ln

(

ε

(

t

))) fra 15 min til 20 min ændring fra unimodal til bimodal for A) høj varians udtryk (den geometriske middelværdi udsving,

rmsf

0,42) og B) med lav varians udtryk (

rmsf

0,42). Første række: HRG respons for

rmsf

0,42 viser en top-shift af unimodale profiler fra

t =

15 min (blå histogram) til

t

= 20 min (rød) med en ændring i den lavere til højere værdi af udtrykket, mens binomial frekvensfordelinger mellem 15 min (blå polygonal linie) og 20 min (rød histogram) næsten perfekt overlapper hinanden for

rmsf

0,42. Anden række: respons EGF viser næsten den perfekte overlap af profiler til både unimodal (

rmsf

0,42) og bimodal (

rmsf

0,42) fordelinger, der tyder på, at der ikke er nogen tidsmæssig midling respons, i overensstemmelse med DEAB af udtrykket for respons EGF (Figur 1A). For alle histogrammer i denne rapport, er bin indstillet til 0,05.

DEABs viste genom-dækkende dynamiske korrelationer for både udtryk og udtrykket forandring. Resultaterne af hele transkriptom analyse antyder tilstedeværelsen af ​​et sæt af begrænsninger, der tillader genomet at optræde som en sammenhængende /koordineret system. Vi vil nu betragte den biofysiske betydning af den dynamiske bevægelse af DEABs af udtryk, der er ledsaget af en ændring fra en unimodal til en bimodal frekvens fordeling

tvedeling af Sammenhængende Expression stater i DEAB af Expression:. Karakteristisk Expression domæner Revealed

for at forstå, hvordan et globalt svar opstår og derefter at belyse dens underliggende princip, er vi nødt til at forstå, hvordan genekspression er selvorganiserede på en genom-plan. Vi anvendte en densitet analyse at visualisere dynamikken i op- eller nedregulering mellem forskellige tidspunkter. En tæthed analyse af klyngedannelse af støjende gen-udtryk profiler har vist sig at være robust [31]. Vi anvendte en Gaussisk kerne som en massefylde analyse af rummet udspændt af udtrykket versus ændringen i udtrykket ( “reguleringsområde”). Siden blev observeret den mest dramatiske reaktion mellem 15 min og 20 min, i dette afsnit vi fokuserer på analyse af dynamikken i mRNA-ekspression i DEABs af ekspression fra 15 til 20 min.

I betragtning et udtryk på tidspunkt

t

(

t

= 15 min eller 20 min), viser det reguleringsområde, om mRNA-ekspression på tidspunkt

t

opreguleres, nedreguleret, eller afbalanceret under denne periode. Interessant, hvis vi vurderer tæthedsfunktionen (PDF) for de lovgivningsmæssige rum og tage sandsynlighedstætheden på z-aksen, pseudo-3-dimensionelle-plot viser bakke-lignende funktioner til at afsløre landskabet tæthed ( “genetisk landskab” ) af ekspressionen dynamik (figur 3). I HRG reaktion, er der to bakke-lignende funktioner på hvert tidspunkt; hvis vi oven genetiske landskaber mellem 15 min og 20 min, ser vi tre uafhængige hill-lignende funktioner til

rmsf

0,42 (

n

= 3269 mRNA): to forskellige hill-lignende funktioner for hvert tidspunkt og en, der er resultatet af kumulation af to tidsmæssigt (næsten) invariant hill-lignende funktioner. I modsætning hertil som svar EGF (

rmsf

0,42;

n

= 1482), en enkelt bakke-lignende funktion viser ikke en tilsyneladende tidsmæssige ændring. Således op- eller ned-regulerede mRNA udtryk danner op- eller ned-regulerede bakker på landskabet og deres dynamiske ændringer afspejler den sammenhængende udtryk opførsel af tusindvis af mRNA; en bakke-lignende funktion på genetiske landskab anses for at være en sammenhængende udtryk tilstand (CES). For yderligere at bekræfte eksistensen af ​​CES, vi analyserede den dynamiske bevægelse af CESS (næste afsnit)

Plots af enkelt mRNA udtryk for

rmsf

0,42 (blå prik:. 15 min, og red dot: 20 min) er overlejret i venstre panel (første række: 3269 udtryk for HRG, anden række: 1482 til EGF). I højre panel, tæthedsfunktionen (PDF) med en Gaussisk kerne af Mathematica 9 (standardindstilling) for hvert punkt (venstre panel) afslører bakke-lignende funktioner i pseudo-3-dimensionelle rum (genetiske landskab, z-aksen: sandsynlighedsfordeling). Sammenlægning af de genetiske landskaber mellem

t

i-

1 = 15 min og

t

Jeg

= 20 min – første række: HRG respons har tre CESS ; to uafhængige CESS plus en CES, at resultaterne fra overlapningen CESS mellem 15 min (mørkere farve) og 20 min (lysere farve) omkring et nul ændring i ekspression på y-aksen; anden række: respons EGF har en enkelt CES som overlapningen af ​​to CESS omkring et nul ændring i udtrykket. Legenden viser en lysere (mørkere) farve bar ved 20 min (ved 15 min) til PDF.

Vi undersøgte dannelsen af ​​en CES i DEAB af udtrykket i form af den trinvise ændring i en segment med et bestemt interval af

rmsf

(

v

rmsf

v

+

r

), hvor intervallet

r

er sat til 0,4, således at den indbefatter ekspressionen af ​​tusinder af mRNA’er, og

v

er en variabel af

rmsf

. I figur 4 de tre segmenter af

rmsf

for HRG respons beskrive indtræden af ​​tvedeling af CES i perioden 15-20 min, når den nye CES tvedelt på segmentet omkring 0,21

rmsf

0,61. En lignende indsættende tvedeling af CES i segmentet omkring 0,16

rmsf

0,56 blev observeret i respons EGF (data ikke vist). Bifurkationsdiagrammer af CESS som funktion af

v

mod mRNA-ekspression (

bifurkation diagrammet i

udtrykket) eller ændringen i udtrykket (

bifurcation diagram i udtrykket ændring

) blev opnået ved at spore holdninger bakketoppe af CESS (figur 5). CESS er funktioner af ekspressionsniveauet og ekspression aktivitet. Bemærk, at placeringen af ​​en bakketop kan afhænge af valget af kernen tæthed, men forgreningen ejendommen ændrer ikke i DEAB.

Starten af ​​tvedeling af en ny CES som væksten af ​​en bakke-lignende funktion er vist. I den første række, profilen af ​​frekvensfordelingen af ​​udtryk skifter fra unimodal (0,26

rmsf

0,66; venstre) til bimodal (0,17

rmsf

0,57; højre) gennem en flad unimodal profil (0,22

rmsf

0,62; center). Den genetiske landskab (anden række) i 15-20 min for hver region af

rmsf

illustrerer, at påbegyndelsen af ​​tvedeling af CES forvandler fra en unimodal til bimodal profil; den røde pil (anden række) peger på dannelsen af ​​CES og den blå pil peger på dannelsen af ​​en dal, som giver anledning til en lav-udtryk tilstand (LES). Toppene af den bimodale frekvens fordeling falder sammen med den højeste koncentration af CESS på omkring

ln

(

ε

)

=

1,7 og 2,2 (sort stiplede linier).

de bifurkationer af CESS i DEAB af udtrykket for 15-20 min undersøges med en trinvis ændring i et segment,

v

rmsf

v

+

r,

som en forlængelse af figur 4, hvor intervallet

r

er sat til 0,4 og

v

er en variabel af

rmsf

. De bifurkationsdiagrammer af ekspressionssystemet (

v

mod ekspressionen, første række) ved

t

= 20 min, og ekspressionen ændring (

v

mod ændringen i ekspression i 15-20 min, anden række) er plottet for HRG (venstre panel) og EGF (højre). Den tvedeling diagram af udtrykket definerer udtrykket niveau

ln

(

ε

) = 2,075 (lavere: lav- og øvre: høj udtryk) på grund af eksistensen af ​​en dal, som adskiller lav og høj CESS (figur 6), hvorimod forgreningen diagram af udtrykket ændring viser tre aktivitetsniveauer af CES: ON (positiv forandring i udtrykket), EQ (nær nul) og OFF (negativ ændring i udtrykket). De bifurkationsdiagrammer viser klart adskilte karakteristisk udtryk domæner mellem HRG og EGF: statisk, transit og dynamiske domæner for

rmsf

0,21, 0,21

rmsf

0,42, og 0,42

rmsf

for HRG, og statiske og transit domæner for

rmsf

0,16 og 0,16

rmsf

for EGF (se detaljer i hovedteksten).

Med hensyn til udtrykket niveau, eksistensen af ​​en dal i landskabet mellem to bakker i CES adskiller udtrykket niveauer i høj og lav på

ln

(

ε

) = 2,075 for både HRG og EGF (figur 5 og 6). Desuden er en forgrening i reguleringsområde afslørede, at CES besidder tre udtryk aktiviteter mellem 15 min og 20 min: opreguleret, nedreguleret og afbalanceret. De op- og ned-regler kan anses for at være den ON og OFF aktivitetsniveauet i forhold til ligevægt (EQ) regulering, hvor satserne for mRNA produktion og nedbrydning er næsten afbalanceret. Interessant nok i EGF genomiske respons, alle CESS er på EQ niveau (figur 5)

Hver række (A: HRG og B: EGF). Svarer til hyppighedsfordeling af mRNA-ekspression (første) og genetiske landskaber (anden: fra siden). I den genetiske landskab, er en statisk domæne med en dal karakteriseret ved to CESS: A) HES1 (EQ) og LES1 (OFF) for

rmsf

0,21; og B) HES (EQ) og LES (EQ) for

rmsf

0,16, en transit domæne er karakteriseret ved A) HES1 (EQ) for 0,21

rmsf

0,42; og B) HES (EQ) for

rmsf

0,16, og et dynamisk domæne er karakteriseret ved tre CESS: A) LES2 (ON), HES2 (ON) og HES1 (EQ) for

rmsf

0,42, hvilket er et resultat af overlejring af de genetiske landskaber mellem 15 min og 20 min (højre panel i den anden række); en tilstand skift sker fra LES2 (ON) ved 15 min til HES2 (ON) ved 20 min, i overensstemmelse med den unimodale forskydning af frekvensfordelingen (A: første række). Den røde pil peger til dalen for at adskille de lave og høje CESS. Aktivitetsniveauet af et sammenhængende udtryk tilstand (ON, EQ og OFF) henviser til figur 5.

Vigtigst, bifurkationsdiagrammer (figur 5) i perioden 15-20 min viser tydeligt forskellene mellem HRG og EGF genomiske reaktioner; de tre karakteristiske domæner i HRG svar kan kategoriseres som i)

statisk domænenavn

(

n

= 9059):

rmsf

0,21 med to high-udtryk stater (HES1 (EQ) og HES2 (ON), ii)

transit domænenavn

(

n

= 9707): 0,21

rmsf

0,42 med en high-udtryk tilstand (HES1 (EQ)), og iii)

dynamisk domænenavn

(

n

= 3269):

rmsf

0,42 med høj og lav ekspression stater (HES1 (EQ) og LES1 (OFF)). I modsætning hertil mener EG respons ikke vise en dynamisk domæne og kun to domæner er til stede: i)

statisk domænenavn

(

n

= 7091):

rmsf

0.16 med HES (EQ) og LES (EQ), og ii)

transit domænenavn

(

n

= 14944): 0,16