Topological analysis of metabolic and regulatory networks by decomposition methods [Elektronische Ressource] / von Ionela Oancea

Ionela Zevedei-Oancea

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Topological analysis of metabolic and
regulatory networks by decomposition methods
D I S S E R T A T I O N
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(dr. rer. nat.)
im Fach Biophysik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat¨ I
Humboldt-Universit¨at zu Berlin
von
Frau Dipl.-Inf. Ionela Oancea
geboren am 22.02.1977 in Bukarest
Pr¨asident der Humboldt-Universit¨at zu Berlin:
Prof. Dr. Jur¨ gen Mlynek
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨at I:
Prof. Dr. Michael Linscheid
Gutachter:
1. Prof. Dr. Reinhart Heinrich
2. Prof. Dr. Hermann-Georg Holzhutter¨
3. Prof. Dr. Stefan Schuster
eingereicht am: 21. Juli 2003
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 1. Dezember 2003Zusammenfassung
DielebendenOrganismensindfur¨ einewissenschaftlicheAnalysezukom-
pliziert,wennmansiealsGanzesundinihrervollenKomplexitatbetrachtet.¨
Die vorliegende Arbeit behandelt die topologischen Eigenschaften von zwei
wichtigen Teilen der lebenden Organismen: die metabolischen und die re-
gulatorischen Systeme. Topolgische Eigenschaften sind solche, die durch die
Netwerkstruktur bedingt werden. Ein Signalsystem ist eine spezielle Art von
regulatorischem System. Zwischen den metabolischen und Signalnetzen gibt
es wichtige Unterschiede, die ihre Behandlung in unterschiedlicher Weise er-
fordert. In der metabolischen Pfadanalyse ist das Konzept der elementaren
Flussmoden bereits als ein passendes Instrument fur¨ die Charakterisierung
der einfachsten essentiellen Wege in biochemischen Systemen etabliert. Wir
untersuchen die Eigenschaften und Vorteile dieses Konzepts in einigen be-
sonderen Fallen.¨
Zuerst untersuchen wir die vielfach vorkommenden Enzyme mit niedri-
ger Spezifitat (z.B. Nukleosiddiphosphokinase, Uridinkinase, Transketolase,¨
Transaldolase).Siekonnen¨ parallelverschiedeneSubstrateundProdukteum-
wandeln. Auch die Enzym-Mechanismen sind vielfaltig, wie wir mit dem Re-¨
aktionsschema fur¨ bifunktionelle Enzyme veranschaulichen. Wir betrachten
dabei nur den Fall, dass ein bestimmtes aktives Zentrum mehrere Reaktio-
nen katalysiert. Der Fall, dass das studierte Enzym mehrere solche aktiven
Zentren hat, kann in den Fall mehrerer Enzyme transformiert werden, die
nur ein aktives Zentrum haben. Wenn eine Krankheit das Ausgangsenzym
andert¨ , werden dann in der Analyse auch alle ersetzenden Enzyme geandert¨ .
Es gibt zwei unterschiedliche Betrachtungsweisen, um multifunktionelle En-
zymezubeschreiben.ZumeinenkannmandieGesamtreaktionenbetrachten
und zum anderen die elementaren Reaktionsschritte (Hemireaktionen, Halb-
reaktionen). Fur¨ Enzyme mit zwei oder mehr Funktionen ist es wichtig, nur
linearunabhangigeFunktionenzubetrachten,weilsonstzyklischeelementare¨
Moden auftreten wurden,¨ die keine Nettoumwandlung durchfuhren.¨ Jedoch
ist die Wahl der linear unabhangigen Funktionen nicht a priori eindeutig.¨
Wir stellen eine Methode fur¨ das Treffen dieser Wahl vor, indem wir die kon-
vexe Basis des Hemireaktions-Systems betrachten. Eine formale Anwendung
des Algorithmus fur das Berechnen der elementaren Flussmoden (Routen)¨
erbringt das Resultat, dass die Zahl solcher Moden manchmal vom Niveau
der Beschreibung abhangt, wenn einige Reaktionen reversibel sind und die¨
Produkte der multifunktionellen Enzyme externe Metabolite sind, oder ei-
nige multifunktionelle Enzyme zum Teil die gleichen Stoffwechselprodukte
umwandeln. Jedoch kann dieses Problem durch eine geeignete Deutung der
Definition der elementaren Moden und die korrekte Wahl der unabhangigen¨
iiiFunktionenderMultifunktionsenzymegelostwerden.DieAnalysewirddurch¨
einige kleinere Beispiele und ein groߨ eres biochemisches Beispiel veranschau-
licht, das aus dem Nukleotidmetabolismus stammt und die zwei Arten der
Beschreibung fur¨ Nukleosiddiphosphokinase und Adenylatekinase vergleicht.
Der Nukleotidmetabolismus spielt eine wichtige Rolle in lebenden Orga-
nismenundistgegenuberallenmoglichenStorungeninseinerinternenBalan-¨ ¨ ¨
ce sehr empfindlich. Gef¨ahrliche Krankheiten konnen¨ auftreten, wenn einige
Enzyme nichtrichtigfunktionieren. MitHilfe des Konzeptes des elementaren
Flussmodus erkl¨aren wir das Auftreten und den Schweregrad von Krank-
heiten, die auf Enzymdefizienzen basieren. Wenn ein Enzym vollstandig ge-¨
hemmt wird, werden einige metabolische Wege blockiert. Wenn jedoch ei-
nige alternative Wege noch bestehen, ist die Krankheit weniger gefahrlich.¨
Unsere Analyse ist darauf gerichtet, alternative Wege, wesentliche Enzyme
und solche Enzyme, die immer zusammenarbeiten zu finden. Der letzte Be-
griff ist auch als ,Enzyme subset “ bekannt und stellt einen intermediaren¨
Schritt im Algorithmus zur Berechnung der elementaren Flussmoden dar.
Wir diskutieren bereits bekannte und bisher nur hypothetische Mechanis-
men einiger Krankheiten (proliferative Krankheiten, Immundefizienzen), die
aufStorungendesNukleotidmetabolismusoderseinerAusbeutungdurchVi-¨
ren und Parasiten beruhen. Die meisten Strategien, die fur¨ das Bekampfen¨
solcher Krankheiten eingesetzt werden, basieren auf der Unterbrechung des
NukleotidmetabolismusanbestimmtenStellen.DieseStrategienkonnen¨ aber
auch zur Akkumulation toxischer Stoffe fuhren und dadurch Nebenwirkun-¨
genhervorrufen.DeswegenhilfteinbesseresVerstandnisdiesesSystems,wir-¨
kungsvollere Medikamente zu entwickeln, und eine gute strukturelle Analyse
kann viele experimentelle Bemuhungen ersparen.¨
Konzepte aus der Theorie der Petri-Netze liefern zusat¨ zliche Werkzeu-
ge fur das Modellieren metabolischer Netzwerke. In Kapitel 4 werden die¨
¨Ahnlichkeiten zwischen einigen Konzepten in der traditionellen biochemi-
schen Modellierung und analogen Konzepten aus der Petri-Netztheorie be-
sprochen. Zum Beispiel entspricht die stochiometrische Matrix eines meta-
bolischen Netzwerkes der Inzidenzmatrix des Petri-Netzes. Die Flussmoden
und die Erhaltungs-Relationen haben die T-Invarianten beziehungsweise P-
Invarianten als Gegenstuc¨ ke. Wir decken die biologische Bedeutung einiger
weiterer Begriffe aus der Theorie der Petri-Netze auf, namlich ,,traps“, ,,si-¨
phons“, ,,deadlocks “ und ,,Lebendigkeit“. Wir konzentrieren uns auf der
topologischen Analyse anstatt auf die Analyse des dynamischen Verhaltens.
Die geeignete Behandlung der externen Stoffwechselprodukte wird ebenfalls
besprochen. Zur Illustration werden einige einfache theoretische Beispiele
vorgestellt. Außerdem werden einige Petri-Netze pr¨asentiert, die konkreten
biochemischen Netzen entsprechen, um unsere Resultate zu belegen. Zum
ivBeispiel wird die Rolle der Triosephosphatisomerase (TPI) im Metabolismus
vonTrypanosomabrucei ausgewertet,indemtraps undsiphons ermitteltwer-
den. Alle behandelten Eigenschaften von Petri-Netzen werden anhand eines
Systems illustriert, das aus dem Nukleotidmetabolismus stammt.
Wahr¨ endvieleBemuh¨ ungenfur¨ dasZerlegenmetabolischerSysteme,(ele-
mentareFlußmoden,extremeWege)erfolgtsind,sindbisherunseresWissens
keine Versuche in dieser Richtung fur¨ Signalub¨ ertragungssysteme unternom-
men worden. Eine spezielle Eigenschaft von Signalnetzwerken in lebenden
Zellen ist, dass Aktivierungen, Hemmungen und biochemische Reaktionen
normalerweise gleichzeitig anwesend sind. Selbst wenn sie nicht Reaktionen
enthalten, machen Mehrfach-Aktivierungen oder Mehrfach-Hemmungen die
Netzwerke in hohem Grade verzweigt. Es ist eine schwierige und sehr zeit-
raubende Aufgabe, alle Faktoren, die einen Einfluss auf ein gegebenes Ziel
haben, ohne eine automatische Methode zu ermitteln. Bereits in Kapitel 1
¨heben wir die Ahnlichkeiten und Unterschiede zwischen den metabolischen
und Signal-Netzwerken hervor. In Kapitel 5 errichten wir einen Rahmen und
prasentieren einen Algorithmus fur die Zerlegung von Signalnetzwerken in¨ ¨
kleinere Einheiten, die einfacher zu studieren und zu verstehen sind. Zwei
Falle werden untersucht: ein einfacheres, wenn nur monomolekulare Aktivie-¨
rungen oder Reaktionen anwesend sind, und ein komplizierterer Fall, wenn
die Aktivierungen und die Reaktionen multimolekular sein konnen. Ihre Be-¨
schreibungerfordertunterschiedlicheMethoden:klassischeGraphenbzw.Pe-
trinetze. Wir besprechen die Probleme, die in unserem Modell wegen des
Vorhandenseins von Hemmungen oder von unbekannten Effekten im Netz
auftreten. Der vorgeschlagene Algorithmus ermittelt die Faktoren, die zu-
sammenwirken und die Zielsubstanzen, die auf dem gleichen Weg beeinflusst
werden. Die Zyklen, die im System auftreten, und mog¨ liche fehlende Reak-
tionen werden ebenfalls ermittelt . Theoretische Beispiele veranschaulichen
unsere Resultate. Anhand der T-Zell-Antigen-Rezeptor-Signalkaskade zeigen
wir, wie die Methoden in realen Systemen angewendet werden konnen.¨
Schlagworter:¨
Enzyme niedriger Spezifit¨at, multifunktionelle Enzyme, Halbreaktionen, En-
zymdefizienzen, Nukleotidstoffwechsel, proliferative Krankheiten, Immuno-
defizienz, Petri-Netze, Elementarmoden,Signalnetzwerk, Signaltransduktion,
Computermodellierung.
vSummary
The living organisms are too