[論文レビュー] Heat shock partially dissociates the overlapping modules of the yeast protein-protein interaction network

Ágoston Mihalik, Péter Csermely|arXiv (Cornell University)|May 15, 2011

Bioinformatics and Genomic Networks被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、ヒートショックがS. cerevisiaeのタンパク質間相互作用ネットワークのグローバルな組織の部分的崩壊を引き起こすことを明らかにした。これはモジュールの重なりと接続性が低下し、重み付き径が4.9倍に増加することを意味する。再編成は積雲への移行に類似しており、主要なヒートショックプロテインが局所的なハブと残留ブリッジを形成し、ストレスへの一般化されたシステムレベルの適応機構を示唆している。

ABSTRACT

Network analysis became a powerful tool in recent years. Heat shock is a well-characterized model of cellular dynamics. S. cerevisiae is an appropriate model organism, since both its protein-protein interaction network (interactome) and stress response at the gene expression level have been well characterized. However, the analysis of the reorganization of the yeast interactome during stress has not been investigated yet. We calculated the changes of the interaction-weights of the yeast interactome from the changes of mRNA expression levels upon heat shock. The major finding of our study is that heat shock induced a significant decrease in both the overlaps and connections of yeast interactome modules. In agreement with this the weighted diameter of the yeast interactome had a 4.9-fold increase in heat shock. Several key proteins of the heat shock response became centers of heat shock-induced local communities, as well as bridges providing a residual connection of modules after heat shock. The observed changes resemble to a stratus-cumulus type transition of the interactome structure, since the unstressed yeast interactome had a globally connected organization, similar to that of stratus clouds, whereas the heat shocked interactome had a multifocal organization, similar to that of cumulus clouds. Our results showed that heat shock induces a partial disintegration of the global organization of the yeast interactome. This change may be rather general occurring in many types of stresses. Moreover, other complex systems, such as single proteins, social networks and ecosystems may also decrease their inter-modular links, thus develop more compact modules, and display a partial disintegration of their global structure in the initial phase of crisis. Thus, our work may provide a model of a general, system-level adaptation mechanism to environmental changes.

研究の動機と目的

• ヒートショックストレス下での酵母タンパく質間相互作用ネットワーク（インタラクトーム）の再編成を調査すること。
• mRNA発現データを用いて、インタラクトームにおけるモジュールの重なりと接続性の変化を分析すること。
• ストレス下でのインタラクトームの構造的再編成が、一般化されたシステムレベルの適応機構を反映しているかどうかを特定すること。
• 主要なヒートショック応答タンパク質が再構成されたネットワークにおけるハブおよびブリッジとして果たす役割を調査すること。

提案手法

• ヒートショック下でのmRNA発現変化に基づき、酵母インタラクトームにおける相互作用重みの変化を計算した。
• 重み付きネットワーク解析を用いてタンパク質間相互作用をマッピングし、結合性およびモジュール組織の評価を行った。
• 重み付き径やモジュール重なりなどのネットワークトポロジーの変化を定量し、構造的再編成を評価した。
• ヒートショック下のネットワークにおける主要なハブタンパク質を同定し、モジュール間接続役割を分析した。
• ストラトス雲とキュムアラス雲の視覚的・構造的類似性を用いて、グローバルに接続された構造から多焦点的構造への移行を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒートショックは、酵母インタラクトームにおける機能的モジュール間の重なりと結合性にどのように影響するか？
• RQ2 ヒートショックは、酵母タンパク質間相互作用ネットワークのグローバルなトポロジカル組織にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 再構成されたネットワークで中心的役割を果たすタンパク質は何か。また、それらは残存結合性を維持するためにどのような役割を果たすか？
• RQ4 観察されたネットワーク再編成は、ストラトスからキュムアラス雲の形成への既知の構造的移行に類似しているか？

主な発見

• ヒートショックにより、酵母インタラクトームの重み付き径が4.9倍に増加し、顕著な構造的再編成が生じた。
• ヒートショック後、インタラクトームにおける機能的モジュール間の重なりと接続性に顕著な低下が見られた。
• 主要なヒートショック応答タンパク質が局所的コミュニティの中心的ハブとなり、モジュール間を接続するブリッジとして機能し、部分的な結合性を維持した。
• 非ストレス下のインタラクトームはグローバルに接続されたストラトス様構造を示したが、ヒートショック下のインタラクトームは多焦点的でキュムアラス様の組織をとった。
• 観察された再編成は、グローバルネットワーク構造の部分的崩壊を示しており、環境的ストレスへの一般化されたシステムレベルの適応機構である可能性がある。