[論文レビュー] Integral Control Feedback Circuit for the Reactivation of Malfunctioning p53 Pathway

Hsu Kiang Ooi, Lan Ma|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2015

Advanced biosensing and bioanalysis techniques被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、p53腫瘍抑制遺伝子機能に障害を示す細胞において、TALEを用いた転写調節因子を用いた合成的積分フィードバック制御回路を提案している。非線形なp53-MDM2-miRNAネットワークに制御理論の原則を適用することで、TALEの分解速度と翻訳速度を調整することにより、段階的摂動に対して完全適応が可能となり、摂動に対しても基本的p53レベルを維持することが示された。

ABSTRACT

We developed a strategy to control p53 levels when the p53 concentration falls below a desired threshold . Based on an established p53-MDM2 mathematical model that also incorporates microRNA regulators (p53-MDM2-miRNA), we applied a control action in closed-loop with respect to this model. In particular, we employ various architectures of synthetic circuit with integral feedback control, illustrating varying degree in adaptive response to step-wise perturbation of p53.

研究の動機と目的

• がん細胞におけるp53機能の欠失を、合成的フィードバック制御によりその基本的活性を回復させること。
• 非線形生物学的ネットワーク（p53-MDM2-miRNA）に積分制御理論を適用し、完全適応を達成すること。
• p53ホメオスタシスを強健に保証する、実験的に調整可能なTALEベース合成回路のパラメータを同定すること。
• 構造的複雑性（例：追加のTALE成分）がコントローラー性能および適応範囲に与える影響を評価すること。

提案手法

• Michaelis-Mentenキネティクスに従う非線形力学的システムとして、p53-MDM2-miRNAネットワークを多変数非線形力学系として定式化する。
• TALEを用いた転写活性化因子および抑制因子を用いて、p53発現を制御する積分フィードバックコントローラーを実装する。
• 内部モデル原理を適用し、摂動のモデルをフィードバックループ内に組み込むことで、強健な完全適応を保証する。
• ノルクライン解析と常微分方程式のシミュレーションを用いて、コントローラーの安定性および適応能力を評価する。
• TALE分解速度（degtr）、翻訳速度（ktr）、最大発現速度（kc）などの主要パラメータを調整し、性能を最適化する。
• 3つの回路構造を比較する：(1) ベーシックICF、(2) 上游にTALE活性化因子を有する構造、(3) 追加の抑制因子を有する構造。性能のトレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 持続的（ステップ）摂動が存在する状況下でも、エンジニアリングされた積分フィードバックコントローラーがp53の基本的レベルを回復できるか？
• RQ2 p53ネットワークにおける強健な完全適応を達成するために、どのTALEベースのパラメータが最も重要か？
• RQ3 構造的複雑性（例：TALE活性化因子や抑制因子の追加）が適応範囲および安定性に与える影響はいかほどか？
• RQ4 特定の回路構造で適応が失敗する原因は何か？パrameter調整によって回復可能か？
• RQ5 非線形生物学的システムにおいて、積分ウィンドアップまたは飽和がコントローラー性能に及ぼす制限はどの程度か？

主な発見

• 構造1（ベーシックICF）は、さまざまな摂動に対して完全適応を達成しており、degtrを増加させ、ktrおよびkcを低下させると最適な性能が得られる。
• コントローラーのノルクラインとプロセスのノルクラインが、セットポイント許容誤差（-5%）内に交差するのはu = 0.6付近の摂動に限られ、有効な適応範囲が制限される。
• 構造2（上流にTALE活性化因子を有する）は性能が劣化：弱い摂動（0.6 < u₂ < 0.8）でのみ適応が可能で、積分ウィンドアップにより大きなオーバーシュートと長いリズムタイムを示す。
• 構造3（追加の抑制因子を有する）は、いかなる摂動強度に対しても適応に失敗する。コントローラーとプロセスのノルクライン間に交差がないため。
• ノルクライン解析により、適応の喪失はコントローラーとプロセスのノルクラインの交差がないことに相関していることが確認された。
• シミュレーション結果は、TALE分解速度（degtr*1.15）を増加させ、翻訳速度（ktr/0.56）を低下させ、最大発現量（kc/1.01）を減少させることで、p53*活性の低下を補償できることを裏付けた。