[論文レビュー] Regulatory motifs in molecular interaction networks

David Murrugarra, Reinhard Laubenbacher|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2011

Gene Regulatory Network Analysis被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、遺伝子調節ネットワーク、シグナル伝達ネットワーク、代謝ネットワークにおけるノード制御を支配する多状態論理的ルールであるネスト型キャニャライジング関数を導入する。このルールを用いたネットワークは、吸引子が少なく、短い極限サイクルを示すという頑健なダイナミクスを示すことが実証され、また、既存のモデルにおいて多数の調節関数が本質的にネスト型キャニャライジングであることが示された。

ABSTRACT

Understanding design principles of molecular interaction networks is an important goal of molecular systems biology. Some insights have been gained into features of their network topology through the discovery of graph theoretic patterns that constrain network dynamics. This paper contributes to the identification of patterns in the mechanisms that govern network dynamics. The control of nodes in gene regulatory, signaling, and metabolic networks is governed by a variety of biochemical mechanisms, with inputs from other network nodes that act additively or synergistically. This paper focuses on a certain type of logical rule that appears frequently as a regulatory pattern. Within the context of the multistate discrete model paradigm, a rule type is introduced that reduces to the concept of nested canalyzing function in the Boolean network case. It is shown that networks that employ this type of multivalued logic exhibit more robust dynamics than random networks, with few attractors and short limit cycles. It is also shown that the majority of regulatory functions in many published models of gene regulatory and signaling networks are nested canalyzing.

研究の動機と目的

• 分子相互作用ネットワークのダイナミクスを支配する繰り返し現れる調節メカニズムを同定すること。
• 特定の論理的ルールが遺伝子調節、シグナル伝達、代謝系においてなぜ頑健なネットワーク行動を生じるのかを理解すること。
• 離散的モデリングに応用可能な、ブール型ネスト型キャニャライジング関数を一般化した多状態論理ルールを形式化すること。
• 実際の生物学的ネットワークモデルにおけるこのルールの出現頻度とダイナミクス的影響を評価すること。

提案手法

• ブールネットワークにおけるネスト型キャニャライジング関数の概念を多状態離散モデルに適応する。
• ある入力変数が他の入力にかかわらず出力に優位なキャニャライジング効果を及ぼす論理的ルールを定義する。
• 離散的かつ同期的更新法を用いて、多状態ネスト型キャニャライジングルールを適用し、ネットワークダイナミクスをシミュレートする。
• ネスト型キャニャライジング関数を用いたネットワークとランダムネットワークとの間で、吸引子の数やサイクル長といったダイナミクス的性質を比較する。
• 遺伝子調節およびシグナル伝達ネットワークの既存モデルを分析し、ネスト型キャニャライジング関数の頻度を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子相互作用ネットワークで観察される頑健なダイナミクスの背後にある論理的ルールは何か？
• RQ2 ネスト型キャニャライジング関数の多状態への一般化は、ネットワークの安定性および吸引子構造にどのように影響するか？
• RQ3 実際の生物学的ネットワークモデルにおいて、ネスト型キャニャライジング関数はどの程度出現しているか？
• RQ4 ネスト型キャニャライジング関数によって制御されるネットワークは、ランダムネットワークと比較して、ダイナミクス的頑健性においてどのように異なるか？

主な発見

• ネスト型キャニャライジング関数によって制御されるネットワークは、ランダムネットワークと比較して著しく頑健なダイナミクスを示す。
• このようなネットワークは、吸引子の数が少なく、極限サイクルが短いという特徴を示し、安定的かつ予測可能な挙動を示している。
• 遺伝子調節およびシグナル伝達ネットワークの既存モデルにおける多数の調節関数が、ネスト型キャニャライジングであることが判明した。
• ネスト型キャニャライジングルールは、ブール型から多状態離散モデルへ自然に一般化され、そのダイナミクス的利点が保持される。