Exploring mechanisms of size control and genomic duplication in Saccharomyces cerevisiae [Elektronische Ressource] / Thomas Wolfgang Spiesser. Gutachter: Edda Klipp ; Martin Falcke ; Andreas Möglich

M.Sc. Thomas Wolfgang Spiesser

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2012
• Nombre de lectures: 27
• Langue: English
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Extrait

Exploring Mechanisms of Size Control and Genomic
Duplication in Saccharomyces cerevisiae
A Computational Systems Biology Study
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
Dr.rer.nat.
im Fach Biophysik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
M.Sc. Thomas Wolfgang Spiesser
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Jan-Hendrik Olbertz
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter:
1. Prof. Dr. Dr. h.c. Edda Klipp
2. PD Dr. Martin Falcke
3. Prof. Dr. Andreas Möglich
eingereicht am: 02.08.2011
Tag der mündlichen Prüfung: 19.12.2011Abstract
One of the most fundamental processes in biology is reproduction, i.e. trans-
mitting genomic information to future generations. To achieve this, single cellular
organisms grow, proliferate and divide. The necessary prerequisite for this is acquir-
ing sufficient cellular resources to double size and all cellular components, herein,
most importantly the DNA. Defects in either sufficient gain in size or chromosomal
doubling can be severe for the organism and has been related to complex diseases in
humans, such as cancer. Therefore, the cell has developed sophisticated regulatory
mechanisms to control the orderly fashion of growth and duplication.
We have developed mathematical formulations (models) to study systemic prop-
erties on different levels of two main cell cycle events, namely size control and
DNA replication in the premier eukaryotic model organism Saccharomyces cere-
visiae. Computer modeling is one part of an interdisciplinary field in science, called
systems biology, that combines theoretical and experimental research to provide an
integrative view on complex biological systems. Herein, different levels of abstrac-
tion e.g. single cell in contrast to population behavior, can open new and different
perspectives on a problem which can help understanding the complex nature of
dynamic systems.
Along these lines, we have created several models of varying granularity to study
cell size homeostasis and genomic duplication. Thus, we provide a single cell model
which is based on ordinary differential equations and a stochastic component to
explore size control. We deduced population behavior from the single cell model
through multi-cell simulations using an environment that we especially developed
for this purpose. Also, to study genomic duplication, we implemented an algorithm
that simulates the DNA replication process. We used this algorithmic model to
test the impact of different origin activation patterns. Additionally, we
assessed elongation dynamics with a fine-grained stochastic model for the replication
machinery motion along the DNA template strand. We complemented our analysis
of DNA replication by studying the functional association of genes and replication
origins using hypergeometric gene ontology association tests.
Our systems-level analysis reveals novel insights into the coordination of growth
and division, namely that (i) size regulation is an intrinsic property of yeast cell
populations and that neither signaling nor a size sensing mechanism is required
for it, (ii) that DNA replication is robust against perturbations, especially in small
chromosomes with high origin density, (iii) that there are distinct locations in the
genome where the elongation process is strongly biased and (iv) that catabolic genes
are over-represented near early origins and anabolic genes near late origins. More-
over, we provide testable model predictions to guide future experiments and outline
follow-up studies for further theoretical analysis to increase systemic understanding
of size control and genomic duplication.
The work I present here, explores mechanisms of size control and DNA repli-
cation in Saccharomyces cerevisiae using an integrative approach to contribute to
explaining experimentally observed and not completely understood features of both
systems.
Keywords: systems biology, budding yeast, size control, DNA replication, multiscale
simulations, ODE model, stochastic model, gene ontology
iiiZusammenfassung
Ein der Biologie zugrunde liegender Prozess ist die Fortpflanzung, d.h. Weitergabe
genetischen Materials an Nachkommen. Einzeller wachsen dazu heran und teilen
sich. Grundlage hierfür sind ausreichend Nahrung und Ressourcen, um die eigene
Masseund alleZellbestandteile, insbesondere die DNS, zu verdoppeln. Fehler bei der
Wachstumsregulation oder der DNS-Verdopplung können schwerwiegende Folgen
habenundstehenbeimMenschenimZusammenhangz.B.mitKrebs.Deshalbhaben
ZellenInstanzenentwickelt,diedenAblaufvonWachstumundTeilungkontrollieren.
In dieser Arbeit werden mathematische Modelle für die Mechanismen zur Wachs-
tumsregulierung und DNS-Verdopplung in der Bäckerhefe, Saccharomyces cerevi-
siae, vorgestellt. Modellierung ist Teil des interdisziplinären Forschungsfelds Sys-
tembiologie, welches theoretische und experimentelle Arbeit kombiniert, um inte-
grative Sichtweisen auf komplexe biologische Systeme zu entwickeln. Hierbei können
verschiedene Ebenen der Abstraktion, z.B. das Verhalten einer Zelle im Gegensatz
zur Zellkultur, beitragen, neue Betrachtungsweisen zu erschließen und sich damit
dem Verstehen komplexer, dynamischer Systeme anzunähern. Wir haben mehrere
Modelle für unterschiedliche Ebenen von Wachstum und Teilung entwickelt, u.a. ein
Modell für einzelne Zellen, welches auf Differenzialgleichungen basiert. Wir leiten
das Wachstumsverhalten von Zellkulturen von diesem Modell ab, indem wir eine
Vielzahl von Zellen gleichzeitig simulieren. Dies geschieht mittels einer, von uns spe-
ziellzudiesemZweckentwickeltenSoftware.AußerdemhabenwireinenAlgorithmus
entwickelt, welcher die Möglichkeit bietet, die Verdopplung der DNS zu simulieren.
Dieser wurde genutzt, um Auswirkungen verschiedener Aktivierungsmuster auf die
Replikation zu testen. Zusätzlich wurde die Verlängerung entstehender DNS Strän-
ge,Elongation,miteinemdetaillierten,stochastischenModelluntersucht.Wirhaben
unsere Ergebnisse zur DNS-Verdopplung mit einer abschließenden Untersuchung er-
gänzt,diefunktionelleBeziehungenvonGenenaufzeigt,welchesichinunmittelbarer
Nähe zu den Aktivierungsstellen der Verdopplung befinden.
Folgende Einsichten in die komplexe Koordination von Wachstum und Teilung
wurden durch den systemorientierten Ansatz gewonnen: (i) Wachstumskontrolle
ist eine inhärente Eigenschaft von Hefezellpopulationen, welche weder Signale noch
Messmechanismen benötigt, (ii) die Verdopplung des Genoms ist robust gegenüber
Störungen,insbesondereinkleinenChromosomenmithoherDichteanAktivierungs-
stellen, (iii) Elongation ist über weite Strecken uniform, weicht aber an genau defi-
nierten Stellen signifikant ab und (iv) Gene, die für katabole Prozesse kodieren, häu-
fen sich nahe der frühen Aktivierungsstellen und Gene von anabolen Prozessen nahe
der späten. Die Modelle sagen das Verhalten beider biologischer Systeme voraus,
was unter anderem dazu dient, gezielt Experimente vorzuschlagen, die die Vorher-
sagen entsprechend überprüfen. Auch werden weiterführende, theoretische Ansätze
diskutiert, die das Systemverständnis von Wachstum und Teilung vertiefen könnten.
Die vorliegende Arbeit dient in erster Linie der Erkundung von zellulären Mecha-
nismen zurWachstumskontrolle und DNS-Verdopplung in Saccharomyces cerevisiae,
wobei ein integrativer Ansatz dazu beitragen soll, experimentell beobachtete, jedoch
bisher nicht vollständig verstandene Eigenschaften beider Systeme zu erklären.
Schlagwörter: Systembiologie, Bäckerhefe, Größenkontrolle, DNS-Verdopplung, Multi-
Skalen-Simulation,GewöhnlicheDifferenzialgleichung,StochastischesModell,Gen-Ontologie
vContents
1 Introduction 1
1.1 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Scope of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Organization of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Biological Background and Research Projects . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Cell Growth and the Cell Division Cycle . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Timing DNA Replication in Budding Yeast . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Elongation: DNA Machinery Motion . . . . . . . . . . 9
1.2.4 DNA Replication in a Genomic Context . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Methodological Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Systems Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Modeling in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Mathematical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1 Modeling with Ordinary Differential Equations . . . . . . . . . . . 17
1.4.2 Statistical and Basic Stochastic Concepts . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.3 Model Parametrization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Size Regulation is an Inherent Property of Budding Yeast Populations 27
2.1 Introduction