Oscilaciones y ruido en la expresión genética : diálogos entre teoría y experimentos

Lengyel, Iván M.

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Disciplina:	fisica
Título:	Oscilaciones y ruido en la expresión genética : diálogos entre teoría y experimentos
Título alternativo:	Oscillations and noise in gene expression: a dialogue between theory and experiments
Autor:	Lengyel, Iván M.
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Filiación:	Instituto Max Planck Argentina - CONICET. Instituto de Investigación en Biomedicina de Buenos Aires - Instituto Partner de la Sociedad Max Planck (IBIOBA-MPSP)
Publicación en la Web:	2019-08-31
Fecha de defensa:	2018-08-03
Fecha en portada:	2018
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Director:	Morelli, Luis G.
Consejero:	Mininni, Pablo
Jurado:	Diambra, Luis A.; Colman Lerner, Alejandro; Chernomoretz, Ariel
Idioma:	Inglés
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6488_Lengyel
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6488_Lengyel.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6488_Lengyel
Ubicación:	Dep.FIS 006488
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Lengyel, Iván M.. (2018). Oscilaciones y ruido en la expresión genética : diálogos entre teoría y experimentos. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6488_Lengyel

Resumen:

El carácter estocástico de las reacciones bioquímicas y las fluctuaciones del ambiente celular introducen variabilidad en la expresión y regulación genética como en todos los procesos a nivel celular. Sin embargo a pesar de las fluctuaciones, las células son capaces de realizar tareas complejas y funcionar en forma confiable y reproducible. A través de redes de regulación genética, las células toman decisiones y generan patrones precisos de actividad temporal y espacial. Un ejemplo en el que confluyen las redes de regulación, la dinámica en la expresión, la formación de patrones, y el control del ruido es el surgimiento de las estructuras que dan origen a las vertebras durante el desarrollo embrioario de los vertebrados, en el que se genera un patrón oscilatorio de expresión genética controlado por un reloj de segmentación. En esta tesis nos centramos en distintos aspectos que surgen del diálogo entre la teoría y los experimentos cuyos ingredientes en común son las redes de regulación genética, las oscilaciones, el ruido y el reloj de segmentación. Las células pueden controlar las fluctuaciones en los niveles de proteína por medio del feedback negativo, donde las proteínas se unen a sitios en el ADN para reprimir su propia producción. Los estudios teóricos usualmente asumen la existencia de un único sitio de unión para el represor, mientras que en la mayoría de las especies existen múltiples sitios de unión. En la primer parte de esta tesis, estudiamos una descripción estocástica de una red de feedback negativo con múltiples sitios de unión para el represor. Encontramos que el aumento del número de sitios de unión induce la expresión regular de los productos genéticos.. Al ajustar el umbral de la represión, mostramos que los múltiples sitios de unión también pueden suprimir las fluctuaciones en la expresión genética. Los resultados de este trabajo abren posibles aplicaciones en la biología sintética así como un marco teórico para entender la existencia de múltiples sitios de unión en diversos genes. Un ejemplo paradigmático de las redes de regulación y la dinámica en la expresión, la formación de patrones, y control del ruido es la estructura segmentada y repetitiva en los vertebrados en la que los segmentos que dan origen a las vertebras se originan durante el desarrollo embrionario de manera secuencial y rítmica. El ritmo de formación de los segmentos es controlado por un reloj de segmentación, basado en la idea de que existe una red genética que tiene una expresión oscilatoria y que es capaz de generar oscilaciones autónomas en las células del reloj. Si bien la evidencia es consistente con la idea de un reloj celular, debido a las altas fluctuaciones y a la complejidad y limitaciones del proceso de medición como a la cuantificación de dicho patrón de expresión, aún no es claro que exista una red genética capaz de generar oscilaciones a nivel autónomo. En la segunda parte de esta tesis estudiamos si las células individuales son capaces de producir oscilaciones. Para ello estudiamos series temporales de la concentración de las proteínas del reloj de segmentación obtenidas de células individuales de un reportero transgénico en zebrafish. A partir de la estadística de las series temporales y una forma normal de Hopf con ruido de color en la amplitud logramos mostrar que las células individuales se comportan como osciladores y que exhiben una dinámica heterogénea oscilatoria. Las fluctuaciones limitan la precisión temporal de un oscilador. Esta precisión puede ser caracterizada por el quality factor que cuantifica el número de ciclos en los cuál la serie es coherente. En una serie temporal, esta precisión puede ser determinada a partir de la función de autocorrelación o del periodograma. Sin embargo, una característica de todas las series temporales experimentales es que tienen una longitud finita, y en particular en biología, las series oscilatorias suelen tener un número pequeño de ciclos. Esto introduce grandes limitaciones para cuantificar la precisión de las oscilaciones a través del quality factor. En este trabajo mostramos que el valor del quality factor de las series temporales depende del método usado y para series temporales cortas puede haber grandes discrepancias entre el valor estimado y el valor real, limitando la precisión de la cuantificación. A partir de un oscilador de fases con ruido, y utilizando una teoría de First Passage Time encontramos un estimador para el quality factor que se basa en la estadística de los periodos y que converge rápidamente al valor real y es robusto inclusive en series temporales cortas. Mostramos que este estimador es robusto y preciso para distintos modelos de osciladores no lineales e inclusive en presencia de fluctuaciones de amplitud. Si bien el quality factor puede ser un estimador robusto de la precisión, cuando los periodos de la serie oscilatoria se encuentran correlacionados temporalmente, este estimador no logra capturar completamente la precision de las oscilaciones. A partir de un oscilador de fase con ruido de color, generamos series de tiempo oscilatorias con el periodo correlacionado y generalizamos la noción de quality factor definiendo un quality factor generalizado. En el cuarto capítulo mostramos que este estimador logra cuantificar correctamente la precisión temporal en series temporales cuyos periodos se encuentran correlacionados en el tiempo inclusive cuando las series temporales son cortas. Por último utilizando el método propuesto para calcular el quality factor basado en la estadística de los periodos, revisamos los resultados previos y discutimos las diferencias entre los distintos métodos de cuantificación. Para concluir, en esta tesis estudiamos aspectos complementarios para avanzar sobre el entendimiento y la cuantificación de la regulación genética, las fluctuaciones, las oscilaciones, y el reloj de segmentación a partir de un enfoque teórico.

Abstract:

The stochastic nature of biochemical reactions and fluctuations in the cellular environment introduce variability in genetic expression and regulation as in all processes at the cellular level. However, despite fluctuations, the cells are able to perform complex tasks and function reliably. By means of gene regulatory networks, cells take decisions and generate precise patterns of temporal and spatial activity. An example where the regulatory networks, the dynamics of expression, the formation of patterns, and the control of noise converge is the emergence of the structures that give rise to vertebrae during the embryonic development of vertebrates controlled by the segmentation clock. In this thesis we study aspects that arise from the dialogue between theory and experiments whose common ingredients are the gene regulatory networks, oscillations,noise and the segmentation clock. Cells can control protein level fluctuations through negative feedback, in which proteins bind to specific sites in DNA and suppress their own production. Theoretical studies usually assume the existence of a single binding site for the repressor, while most species have multiple binding sites. In the first part of this thesis, we study a stochastic description of a negative feedback network with multiple sites for the repressor. We find that the increase in the number of binding sites induces the regular expression of gene products. By adjusting the repression threshold, we show that multiple binding sites can also enhance noise suppression in gene expression. These results open up possible applications in synthetic biology as well as a theoretical framework for understanding the existence of multiple binding sites in different genes. A paradigmatic example of regulatory networks and dynamics in gene expression, pattern formation, and noise control is the segmented and repetitive structure in vertebrates, in which the segments that give rise to vertebrae originate during embryonic development in a sequential and rhythmic manner. The rhythm of the formation of the segments is controlled by a segmentation clock, based on the idea that there is a genetic network that has an oscillatory expression and that is able to generate autonomous oscillations in the cells of the clock. Although the evidence is consistent with the idea of a cellular clock, due to the fluctuations and the complexity and limitations of the measurement process as well as the quantification of this pattern of expression, it is yet not clear whether there is a genetic network capable of generate autonomous oscillations at cellular level. In the second part of this thesis we study whether individual cells are capable of producing oscillations autonomously. We analyse time series of the concentration of the segmentation clock proteins obtained from individual cells of a transgenic reporter in zebrafish. By analysing the time series and using a Hopf normal form with colour noise in the amplitude we show that single cells behave like oscillators and exhibit a heterogeneous oscillatory dynamics. Fluctuations limit the temporal precision of an oscillator. Temporal precision can be characterised by a quality factor, which quantifies the number of coherent cycles. For an experimental time series, the quality factor can be determined either from the autocorrelation function or the periodogram. A feature of experimental time series is that they have a finite duration, and particularly in biology, oscillatory series usually have a small number of cycles. This introduces major limitations for quantifying the properties of time series, such as quantifying the accuracy of oscillations through quality factor. We show that the quality factor value of time series depends on the method used and for short time series there can be large discrepancies between the estimated value and the actual value, limiting the accuracy of quantification. From a phase oscillator with noise, and using a First Passage Time theory we find an estimator for the quality factor that is based on the statistics of the periods and that converges quickly to the real value and is robust even in short time series. We show that this estimator is robust and accurate for different models of non-linear oscillators and even in the presence of amplitude fluctuations. While the quality factor can be a robust precision estimator, when the periods of the oscillatory series are time correlated, this estimator fails to fully capture the precision of the oscillations.From a phase oscillator with additive colour noise, we generate oscillatory time series with correlated period and we generalise the notion of quality factor by defining a generalized quality factor. We show that this estimator correctly quantifies time accuracy in time series whose periods are correlated in time even when time series are short. Finally, using the proposed method to calculate the quality factor based on the period statistics, we review the previous results and we discuss the differences between the different methods of quantification. To conclude, in this thesis we study complementary aspects to advance on the understanding and quantification of gene regulation, gene expression dynamics, fluctuations, oscillations, and the segmentation clock using a theoretical approach.

Citación:

---------- APA ----------

Lengyel, Iván M.. (2018). Oscilaciones y ruido en la expresión genética : diálogos entre teoría y experimentos. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6488_Lengyel

---------- CHICAGO ----------

Lengyel, Iván M.. "Oscilaciones y ruido en la expresión genética : diálogos entre teoría y experimentos". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2018.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6488_Lengyel

Estadísticas:

Descargas totales desde :

Navegar

Colección

Tesis Doctoral