[論文レビュー] Modeling potent pathways for APC/C inhibition: pivotal roles for MCC and BubR1

Bashar Ibrahim|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Microtubule and mitosis dynamics参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、細胞周期の染色体分配のチェックポイントとして機能するスプライント・アセンブリ・チェックポイント（SAC）の下で、アナフェーズ促進因子複合体/サイクロソーム（APC/C）を阻害する調節経路をシステム生物学的手法でモデル化している。5つのモデル変種を検証した結果、野生型および変異体の表現型を両方とも正確に再現できるのは、ミトーシス・チェックポイント複合体（MCC）およびBubR1を強力なAPC/C阻害因子として組み込んだモデルに限られ、これら2者が細胞周期制御において中心的で相乗的な役割を果たしていることが示された。

ABSTRACT

The highly conserved spindle assembly checkpoint (SAC) ensures that the sister chromatids of the duplicated genome are not separated and distributed to the spindle poles before all chromosomes have been properly linked to the microtubules of the mitotic spindle. Biochemically, the SAC delays cell cycle progression by preventing activation of the anaphase-promoting complex (APC/C) or cyclosome; whose activation by Cdc20 is required for sister-chromatid separation, which marks the transition into anaphase. In response to activation of the checkpoint, various species control the activity of both APC/C and Cdc20. However, the underlying regulatory pathways remain largely elusive. In this study, five possible model variants of APC/C regulation were constructed, namely BubR1, Mad2, MCC, MCF2 and an all-pathways model variant. These models are validated with experimental data from the literature. A wide range of parameter values have been tested to find critical values of the APC binding rate. The results show that all variants are able to capture the wild type behaviour of the APC. However, only one model variant, which included both MCC as well as BubR1 as potent inhibitors of the APC, was able to reproduce both wild type and mutant type behaviour of APC regulation. The presented work has successfully distinguished between five competing dynamical models of the same biological system using a systems biology approach. Furthermore, the results suggest that systems-level approach is vital for molecular biology and could also be used for compare the pathways of relevance with the objective to generate hypotheses and improve our understanding.

研究の動機と目的

• スプライント・アセンブリ・チェックポイント下でのAPC/C阻害を最も正確に再現する分子モデルを同定すること。
• APC/C活性化を制御する対立する調節経路の曖昧さを解消すること。
• MCC、BubR1、あるいはそれらの組み合わせが、実際に細胞内でAPC/Cを支配的な阻害因子として機能しているかどうかを特定すること。
• 文献に掲載された実験データと照らして、モデルの予測を検証すること。
• システム生物学的手法が、同一の生物学的系内で競合する仮説を定量的に比較する有効性を示すこと。

提案手法

• 5つの動的モデル変種を構築した：BubR1単独、Mad2単独、MCC単独、MCF2単独、およびすべての経路を含むモデル。
• 各モデルは、タンパク質相互作用を記述する常微分方程式（ODE）を用いて、APC/C阻害のキネティクスをシミュレートした。
• 実験的行動を再現するためのAPC結合速度の臨界値を特定するために、パラメータ空間を体系的に探索した。
• 出版済みの実験データから得られた野生型および変異体の表現型と照らして、モデルを検証した。
• 感度解析とロバストネス解析を用いて、モデルの性能を比較し、最も適合するメカニズムを同定した。
• システム生物学の枠組みにより、同一の生物学的系内で競合する仮説を定量的に比較することが可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MCC、BubR1、Mad2、MCF2のうち、どの阻害経路の組み合わせが、APC/C阻害の観察されるダイナミクスを最もよく説明できるか？
• RQ2 MCCとBubR1の両方を含むモデルは、APC/C制御の野生型および変異体の表現型を両方とも再現できるか？
• RQ3 パラメータの変動が、各モデル変種のロバストネスおよび正確性にどのように影響するか？
• RQ4 すべての経路を含むモデルは、個々の経路モデルと比較して、生物学的挙動を捉える点でどのような差異を示すか？
• RQ5 システムレベルのモデリングは、APC/C阻害の分子機構に関する曖昧さを解消できるか？

主な発見

• MCCとBubR1を阻害因子として組み込んだモデルのみが、APC/C制御の野生型および変異体の表現型を両方とも正確に再現できた。
• MCC-BubR1二重阻害モデルは、広範なパラメータ値の範囲で優れたロバストネスと一貫性を示した。
• MCC単独やBubR1単独のモデル変種は、変異体挙動を捉えられず、機序の不完全な表現であることが示された。
• 機能的でない調節ダイナミクスを区別するための、APC結合速度の重要なパラメータ閾値を同定した。
• システム生物学的手法により、5つの競合するモデルを明確に区別し、最も生物学的に妥当なメカニズムを同定できた。
• 結果から、ミトーシス中の正確なAPC/C制御には、複数の阻害経路を統合することが不可欠であることが強調された。