TY  - THES
A1  - Mischnik, Marcel
T1  - Systembiologische Analyse der ADP- und Prostaglandin-vermittelten Signaltransduktion humaner Thrombozyten
T1  - Systems biological analysis of ADP and prostaglandin mediated signal transduction in human thrombocytes
N2  - Thrombozyten (Blutplättchen) sind die Vermittler der zellulären Hämostase. Ihre Fähigkeit zu Aggregieren und sich an das umgebende Gewebe verletzter Blutgefässe anzulagern, wird durch ein komplexes intrazelluläres Signaltransduktionsnetzwerk bestimmt, das sowohl aktivierende, als auch inhibierende Subnetzwerke beinhaltet. Das Verständnis dieser Prozesse ist von hoher medizinischer Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die thrombozytäre Signaltransduktion sowohl mittels eines Boole'schen, als auch verschiedener dynamischer Modelle analysiert. Die Boole'sche Modellierung führte zu interessanten Erkenntnissen über das Zusammenwirken einzelner Subnetzwerke bei der Vermittlung irreversibler Plättchenaktivierung und zeigte Mechanismen der Interaktion mit dem hemmenden Prostaglandinsystem auf. Das Modell beinhaltet unter Anderem wichtige Systemkomponenten wie Calciumsignalgebung, Aktivierung von Schlüsselkinasen wie Src und PKC, Integrin-vermitteltes outside-in sowie inside-out Signalgebung und autokrine ADP- und Thromboxan-Produktion. Unter Verwendung dieses Boole'schen Ansatzes wurde weiterhin das System-eigene Schwellenwertverhalten analysiert. Dabei stellte sich eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit des relativen aktivierenden Reizes, der notwendig ist um den Schwellenwert zu überschreiten, vom absoluten hemmenden Input heraus. Das System adaptiert demnach an höhere Prostaglandinkonzentrationen durch eine Erhöhung der Sensitivität für Aktivatoren wie dem van-Willebrandt-Faktor und Kollagen, und ermöglicht somit auch unter lokal hemmenden Bedingungen eine Plättchen-vermittelte Hämostase. Der nächste Schritt bestand in der Implementierung eines Differentialgleichungs-basierten Modells der thrombozytären Prostaglandin-Signaltransduktion, um einen detaillierten Überblick über die Dynamik des inhibierenden Netzwerkteils zu erhalten. Die kinetischen Parameter dieses Modells wurden teilweise der Literatur entnommen. Der andere Teil wurde anhand einer umfassenden Kombination dosis- und zeitabhängiger cAMP und phospho-VASP Messdaten geschätzt. Der Prozess beinhaltete mehrere Iterationen aus Modellvorhersagen einerseits und experimentellem Design andererseits. Das Modell liefert die quantitativen Effekte der Prostaglandinrezeptoren IP, DP1, EP3 und EP4 und des ADP-Rezeptors P2Y12 auf die zugrunde liegende Signalkaskade. EP4 zeigt den stärksten Effekt in der aktivierenden Fraktion, wohingegen EP3 einen stärkeren inhibitorischen Effekt ausübt, als der durch Clopidogrel hemmbare ADP-Rezeptor P2Y12. Weiterhin wurden die Eigenschaften des negativen feedback-loops der PKA auf den cAMP-Spiegel untersucht, und eine direkte Beeinflussung der Adenylatzyklase durch die PKA festgestellt, in Form einer Reduzierung der maximalen katalytischen Geschwindigkeit. Die Identifizierbarkeit der geschätzten Parameter wurde mittels profile-Likelihood-Schätzung untersucht. In einem dritten Schritt wurde ein sowohl die aktivierenden, als auch die hemmenden Netzwerkteile umfassendes dynamisches Modell implementiert. Die Topologie dieses Modells wurde in Anlehnung an die des Boole'schen Modells auf der Basis von a priori Wissen festgelegt. Die Modellparameter wurden anhand von Western-Blot, Calcium- und Aggregationsmessungen geschätzt. Auch hier wurde die Identifizierbarkeit der Modellparameter durch profile-likelihood-Schätzung überprüft. Die bei niedrigen Ligandenkonzentrationen auftretende Reversibilität der Plättchen-Aggregation konnte mittels dieses Modells reproduziert werden. Jedoch zeigte sich bei mittleren ADP-Konzentrationen ein Fließgleichgewicht in einem teilweise aktivierten Zustand, und damit kein bistabiles Schwellenwertverhalten. Inwiefern dieses Verhalten durch einen Umgebungs-basierteren Mechanismus des Alles-Oder-Nichts-Verhaltens begründet wird, bei dem der Übergang von reversibler zu irreversibler Aggregation mehr durch parakrine Effekte des gesammten Thrombus bestimmt wird, als durch spezifische Signaltransduktionseigenschaften der einzelnen Zelle, müssen zukünftige Experimente zeigen. Insgesamt geben die erstellten Modelle interessante Einblicke in die Funktionsweise der Thrombozyten und ermöglichen die Simulation von pharmakologischen und genetischen Einflüssen, wie Rezeptormodulationen und knock-outs. Sie geben damit Implikationen zur Entstehung und Behandlung pathophysiologischer Zustände, und wertvolle Denkanstöße für die weitere Forschung.
N2  - Platelets represent the key-players in mammalian wound-healing. Their ability to aggregate and attach to the surrounding tissue of damaged blood vessels is thereby mediated by a complex signal -transduction network that comprises both activatory and inhibitory components. Due to its medical relevance and the lack of profound understanding, the network constitutes a convenient target for modeling. In a first step, a Boolean implementation of platelet signal transduction, comprising both activating and inhibiting networks components was established. This led to important information, on how the function of different subnetworks coalesce to fully activate the platelet and to promote irreversible aggregation. These include calcium signalling, activation of key-kinases like Akt, Src and PKC, Integrin outside-in as well as inside-out signalling and autocrin ADP and thromboxane production. In addition, using this data-free approach, the systems inherent threshold behaviour was analysed. The model revealed, that the relative activating strength, that transgresses the threshold, decreases with elevating PGI inputs and is also dependent on auto- and parakrin effects. Thus, the system adapts for higher prostaglandin-concentrations by increasing its sensitivity for activators like vWF and collagen, and thereby commits thrombocyte-dependent active processes such as wound healing even if subsequently blood prostaglandin-levels are higher in later time points. Secondly, an ordinary-differential-equation based model of platelet prostaglandin signalling was established, to get a detailed view of the dynamics governing the inhibiting network part. The kinetic parameters of the model were partly taken from literature and in part estimated along a comprehensive combination of time-course and dose-response measurements of cAMP and phosphorylated VASP. The process involved an iterative cycle between model predictions and experimental design. The model delivered the quantitative effects of the prostaglandin receptors IP, DP1, EP3, EP4 and the ADP receptor P2Y12 on the underlying signalling cascade. EP4 showed the strongest effect in the activating fraction, whereas EP3 turned out to exert a greater inhibiting impact than the commonly established pharmacological target P2Y12. Furthermore, the nature of the double-negative feedback loop constituted by PKA was examined, which disclosed a direct influence of PKA on adenylate cyclase, reducing its maximum catalytic speed. The identifiablility of all kinetic parameters was analysed via profile likelihood estimation. Finally, a dynamical model comprising both activating ADP-signalling through P2Y1 and P2Y12 receptors, and the inhibiting prostaglandin-pathway was implemented. The topology of this larger model was established on the basis of a priori knowledge. Model parameters were fitted along time-resolved Western-Blot, calcium and aggregation measurements. The identifiability of the model parameters was again check by means of profile likelihood estimation. Reversibility of platelet activation at low ADP concentrations could be reproduced by this model. However, at medium concentrations the system appears to assume a steady-state in a partly activated condition, thus not providing for a bistable threshold behaviour. If this behaviour is based on a more enviroment-based character of the observed point-of-no-return behaviour, in which the transition from reversible to irreversible aggregation is rather due to parakrin effects evoked by the entire cell array, than due to specific network properties present in the single cell, has to be investigated by further experiments. All in all, the models show interesting properties of platelet signal transduction, and give valuable implications for medical treatment and future research.
KW  - Thrombozyt
KW  - Modellierung
KW  - ADP
KW  - Prostaglandine
KW  - Signaltransduktion
KW  - Thrombozyten
KW  - Modellierung
KW  - ADP
KW  - Prostaglandine
KW  - platelets
KW  - ADP
KW  - prostaglandin
KW  - modeling
KW  - boolean
KW  - ODE
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-78807
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wangorsch, Gaby
T1  - Mathematical modeling of cellular signal transduction
T1  - Mathematische Modellierung der zellulären Signaltransduktion
N2  - A subtly regulated and controlled course of cellular processes is essential for the healthy functioning not only of single cells, but also of organs being constituted thereof. In return, this entails the proper functioning of the whole organism. This implies a complex intra- and inter-cellular communication and signal processing that require equally multi-faceted methods to describe and investigate the underlying processes. Within the scope of this thesis, mathematical modeling of cellular signaling finds its application in the analysis of cellular processes and signaling cascades in different organisms. ...
N2  - Das fein regulierte und kontrollierte Ablaufen zellulärer Prozesse ist essentiell für das gesunde Funktionieren einzelner Zellen, sowie der aus ihnen bestehenden Organe. Diese wiederum bedingen das Funktionieren des gesamten Organismus. Genauso vielschichtig wie die Kommunikation und Signalverarbeitung innerhalb und zwischen den Zellen, sind die Methoden um diese Vorgänge zu beschreiben und zu untersuchen. Die mathematische Modellierung zellulärer Signalverarbeitung findet im Rahmen dieser Arbeit Anwendung in der Analyse zellulärer Prozesse und Signalkaskaden in verschiedenen Organismen....
KW  - Mathematische Modellierung
KW  - Thrombozyt
KW  - Systembiologie
KW  - Mathematische Modellierung
KW  - Mathematical modeling
KW  - platelets
KW  - signaling pathway
KW  - systems biology
KW  - Signaltransduktion
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87746
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schul, Daniela
T1  - Spatio-temporal investigation and quantitative analysis of the BMP signaling pathway
T1  - Raum-Zeitliche Untersuchung und quantitative Analyse des BMP-Signaltransduktionsweges
N2  - Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) are key regulators for a lot of diverse cellular processes. During embryonic development these proteins act as morphogens and play a crucial role particularly in organogenesis. BMPs have a direct impact on distinct cellular fates by means of concentration-gradients in the developing embryos. Using the diverse signaling input information within the embryo due to the gradient, the cells transduce the varying extracellular information into distinct gene expression profiles and cell fate decisions. Furthermore, BMP proteins bear important functions in adult organisms like tissue homeostasis or regeneration. In contrast to TGF-ß signaling, currently only little is known about how cells decode and quantify incoming BMP signals. There is poor knowledge about the quantitative relationships between signal input, transducing molecules, their states and location, and finally their ability to incorporate graded systemic inputs and produce qualitative responses. A key requirement for efficient pathway modulation is the complete comprehension of this signaling network on a quantitative level as the BMP signaling pathway, just like many other signaling pathways, is a major target for medicative interference. I therefore at first studied the subcellular distribution of Smad1, which is the main signal transducing protein of the BMP signaling pathway, in a quantitative manner and in response to various types and levels of stimuli in murine c2c12 cells. Results indicate that the subcellular localization of Smad1 is not dependent on the initial BMP input. Surprisingly, only the phospho-Smad1 level is proportionally associated to ligand concentration. Furthermore, the activated transducer proteins were entirely located in the nucleus. Besides the subcellular localization of Smad1, I have analyzed the gene expression profile induced by BMP signaling. Therefore, I examined two endogenous immediate early BMP targets as well as the expression of the stably transgenic Gaussia Luciferase. Interestingly, the results of these independent experimental setups and read-outs suggest oscillating target gene expression. The amplitudes of the oscillations showed a precise concentration-dependence for continuous and transient stimulation. Additionally, even short-time stimulation of 15’ activates oscillating gene-expression pulses that are detectable for at least 30h post-stimulation. Only treatment with a BMP type I receptor kinase inhibitor leads to the complete abolishment of the target gene expression. This indicated that target gene expression oscillations depend directly on BMP type I receptor kinase activity.
N2  - Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) stellen wichtige Regulatoren für eine Vielzahl von verschiedenen zellulären Prozessen dar. Während der Embryonalentwicklung agieren diese Proteine als Morphogene und spielen daher eine entscheidende Rolle für diesen Prozess, vor allem in der Organogenese. Durch Konzentrationsgradienten üben BMPs einen direkten Einfluss auf verschiedene zelluläre Schicksale im entwickelnden Embryo aus. Aufgrund dieser Gradienten gelangen vielfältige Signalinformationen zu den verschiedenen Zellen, welche die extrazelluläre Information in verschiedene Genexpressionsprofile und Zellschicksalsentscheidungen umwandeln. Darüber hinaus tragen BMPs wichtige Funktionen im erwachsenen Organismus, wie z.B. Gewebshomöostase oder -regeneration. Im Gegensatz zu dem verwandten TGF-ß Signaltransduktionsweg ist derzeit nur wenig über die zelluläre Übersetzung und Quantifizierung eingehender BMP-Signale bekannt. Es gibt wenige Kenntnisse über die quantitative Beziehung zwischen Signaleingang, Überträgerproteinen, ihren Zuständen sowie intrazellulären Positionen, und schließlich ihre Fähigkeit Signaleingänge systemisch zu integrieren und qualitative Antworten der Zelle zu produzieren. Eine wesentliche Voraussetzung für die effiziente Signaltransduktions-modulierung ist das vollständige Verständnis des Signalnetzwerkes auf einer quantitativen Ebene, da der BMP-Signalweg, wie auch viele andere Signalwege, ein wichtiges Ziel für medizinische Anwendungen und Medikamentenentwicklung ist. Daher untersuchte ich zunächst die subzelluläre Verteilung der wichtigsten Signalweiterleitungsproteine des BMP-Signalweges, der Smad1-Proteine, auf quantitativer Ebene und deren Reaktion auf verschiedene Stimulierungsarten und BMP-Konzentrationsstufen in murinen c2c12-Zellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die subzelluläre Lokalisation von Smad1 unabhängig von der BMP-Konzentration ist und nur das phospho-Smad1 Level proportional zur Konzentration des Liganden steigt. Darüber hinaus befanden sich die aktiven Überträgerproteine nach Stimulierungvollständig im Zellkern. Neben der subzellulären Lokalisation von Smad1, habe ich das Genexpressionsprofil von BMP-Zielgenen analysiert. Ich untersuchte zwei endogene und frühe BMP-Zielgene sowie die Expression der stabil transgenen Gaussia Luciferase. Interessanterweise deuten die Ergebnisse dieser zwei unabhängigen Versuchsaufbauten und Detektionsmethoden auf eine oszillierende Expression der Zielgene hin. Die Amplituden der Schwingungen zeigten eine deutliche Konzentrationsabhängigkeit bei kontinuierlicher und transienter Stimulation. Außerdem aktiviert eine Kurzzeitstimulierung von 15 Minuten ebenfalls ein oszillierendes Genexpressionsprofil, welches für mindestens 30 Stunden nach der Stimulierung nachweisbar ist. Nur die Behandlung mit einem BMP Typ-I-Rezeptorkinaseinhibitor führt zur vollständigen Aufhebung der Zielgenexpression. Infolgedessen sind die Oszillationen der Zielgenexpression direkt von der Aktivität der BMP Typ-I-Rezeptorkinase abhängig.
KW  - Knochen-Morphogenese-Proteine
KW  - Signaltransduktion
KW  - BMP-Signaltransduktionsweg
KW  - Analyse
KW  - BMP signaling pathway
KW  - analysis
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-84224
ER  -