[논문 리뷰] Are physiological oscillations 'physiological'?

Lingyun, Xiong|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 21.

Pancreatic function and diabetes인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 생리적 진동이 순수한 노이즈가 아니라, 감도 상실, 유해 화학물질 축적, 노이즈 저항성 등을 방지하고 동기화 및 동적 조절을 가능하게 하는 핵심 기능적 메커니즘임을 주장한다. 비선형 역학을 통합함으로써 저자들은 진동이 인슐린 파ulsatility, 발달 및 질병 기전에서 필수적임을 제시하며, 전통적인 동적 균형 이론을 도전하고 건강과 질병을 이해하는 데 패러다임 전환을 주장한다.

ABSTRACT

Despite widespread and striking examples of physiological oscillations, their functional role is often unclear. Even glycolysis, the paradigm example of oscillatory biochemistry, has seen questions about its oscillatory function. Here, we take a systems approach to summarize evidence that oscillations play critical physiological roles. Oscillatory behavior enables systems to avoid desensitization, to avoid chronically high and therefore toxic levels of chemicals, and to become more resistant to noise. Oscillation also enables complex physiological systems to reconcile incompatible conditions such as oxidation and reduction, by cycling between them, and to synchronize the oscillations of many small units into one large effect. In pancreatic beta cells, glycolytic oscillations are in synchrony with calcium and mitochondrial oscillations to drive pulsatile insulin release, which is pivotal for the liver to regulate blood glucose dynamics. In addition, oscillation can keep biological time, essential for embryonic development in promoting cell diversity and pattern formation. The functional importance of oscillatory processes requires a rethinking of the traditional doctrine of homeostasis, holding that physiological quantities are maintained at constant equilibrium values, a view that has largely failed us in the clinic. A more dynamic approach will enable us to view health and disease through a new light and initiate a paradigm shift in treating diseases, including depression and cancer. This modern synthesis also takes a deeper look into the mechanisms that create, sustain and abolish oscillatory processes, which requires the language of nonlinear dynamics, well beyond the linearization techniques of equilibrium control theory.

연구 동기 및 목표

• 생리적 진동이 잡음이나 부산물이라는 전통적 견해를 도전하고, 그들이 필수적인 기능적 역할을 한다고 주장하기.
• 진동 동역학이 수용체 감도 상실을 방지하고, 만성적인 화학물질 노출로 인한 독성 감소 및 노이즈 저항성 향상에 어떻게 기여하는지 설명하기.
• 상반된 세포 상태(예: 산화 및 환원)를 조율할 수 있도록 해주는 진동의 역할을 입증하기.
• 정적 평형 상태가 아니라 동적인 진동 과정으로서의 동적 균형을 재정의함으로써, 암과 우울증과 같은 질병 치료에 대한 함의를 제시하기.
• 생리적 진동의 생성 및 조절 메커니즘을 이해하기 위해 체계적 수준의 비선형 역학 접근법을 홍보하기.

제안 방법

• 췌장 베타세포를 포함한 다양한 생리적 시스템에서의 진동 행동을 분석하기 위해 시스템 생물학적 접근법을 채택하기.
• 베타세포 내 당해리, 칼슘 및 미토콘드리아 진동의 실험적 증거를 통합하여, 이들이 파ulsatile 인슐린 분비에 동기화되고 기능적으로 기여함을 보여주기.
• 비선형 역학 원리를 적용하여 진동이 어떻게 발생하고 유지되는지 모델링함으로써, 선형화된 평형 제어 이론을 넘어서기.
• 배아 발생 과정을 분석하여 진동이 세포 다양성과 패턴 형성에 어떻게 기여하는지 보여주기.
• 수학적 모델링과 체계적 추론을 통해 진동이 시간 조절 및 동적 적응을 어떻게 가능하게 하는지 탐구하기.
• 진동 시스템을 전통적인 동적 균형 모델과 비교하여, 임상 및 생물학적 맥락에서 정적 평형 가정의 한계를 부각하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생리적 진동은 감도 상실과 독성 화학물질 축적을 방지하는 데 어떤 기능적 역할을 하는가?
• RQ2 췌장 베타세포에서 당해리, 칼슘 및 미토콘드리아의 동기화된 진동은 파ulsatile 인슐린 분비에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 진동은 산화와 환원과 같은 상충되는 세포 상태를 어떻게 조율하여 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ4 진동은 배아 발달 및 패턴 형성에서 생물학적 시계 기능을 어떻게 수행하는가?
• RQ5 진동 동역학은 전통적인 동적 균형 이론이 정적 평형 상태로 간주되는 데 얼마나 도전하는가?

주요 결과

• 진동 행동은 수용체 감도 상실을 방지하고, 만성적으로 높은 수준의 신호 분자로 인한 독성 영향을 피하는 데 기여한다.
• 췌장 베타세포 내 당해리, 칼슘 및 미토콘드리아의 동기화된 진동은 파ulsatile 인슐린 분비에 필수적이며, 간의 혈액 포도당 조절에 매우 중요하다.
• 진동은 변동성이 큰 환경에서도 저항력을 유지하고 체계의 강건성을 높이는 데 기여한다.
• 상반된 상태(예: 산화 및 환원)를 번갈아 가며 순환할 수 있는 능력은 세포가 상충되는 기능을 조율적으로 수행할 수 있도록 한다.
• 진동은 세포 운명 결정과 배아 발생 중 공간 패턴 형성에 기여하는 생물학적 시계 기능을 수행한다.
• 암과 우울증과 같은 복잡한 질병을 이해하고 치료하기 위해서는 정적 동적 균형에서 벗어나 동적인 진동 조절로의 패러다임 전환이 필요하다.