[논문 리뷰] Correlations of single-cell division times with and without periodic forcing

Noga Mosheiff, Bruno M.C. Martins외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 01.

Gene Regulatory Network AnalysisBiochemistry, Genetics and Molecular Biology참고 문헌 43인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 다양한 생물에서 생체 시계가 있는지 여부에 관계없이 계통 간 세포 주기 지속 시간의 상관관계를 분석하기 위해 고속 단세포 현미경을 사용한다. 연구에서는 생체 시계 결합이 비선형 상관관계를 유도하며, 이는 '두꺼운 아르놀트 맵' 모델과 일치하며, 이 모델은 세포 간 변동성 증가를 예측한다. 이 예측은 생체 시계 삭제 시 변동성이 감소하는 것으로 실험적으로 확인되었다.

ABSTRACT

Periodic forcing of nonlinear oscillators leads to a large number of dynamic behaviors. The coupling of the cell-cycle to the circadian clock provides a biological realization of such forcing. Using high throughput single-cell microscopy, we have studied the correlations between cell cycle duration in discrete lineages of several different organisms including those with known coupling to a circadian clock and those without known coupling to a circadian clock. Correlations between cell cycles duration in discrete lineages observed in the organisms with a circadian clock cannot be explained by a simple statistical model but are consistent with predictions of a biologically plausible two dimensional nonlinear map. Surprisingly, the nonlinear map is equivalent to a classic nonlinear map called the fattened Arnold map. The model predicts that circadian coupling may increase cell to cell variability in a clonal population of cells. In agreement with this prediction, deletion of the circadian clock reduces variability. Our results show that simple correlations can identify systems under periodic forcing and that studies of nonlinear coupling of biological oscillators provide insight into basic cellular processes of growth.

연구 동기 및 목표

• 계통 간 단세포 분열 시간 상관관계가 생체 시계와 같은 주기적 외부 자극(예: 생체 시계)에 의해 유도되는지 여부를 규명하는 것.
• 관측된 세포 주기 지속 시간 상관관계가 단순한 통계 모델로 설명 가능한지, 아니면 비선형 동역학 시스템이 필요한지 테스트하는 것.
• 생체 시계 결합이 클론 집단 내 세포 간 변동성 증가에 기여하는 역할을 평가하는 것.
• 관측된 계통 데이터의 상관관계를 잘 묘사하는 이차원 비선형 맵 모델을 개발하고 검증하는 것.
• 생체 시계 삭제가 세포 주기 지속 시간 변동성에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 고속 시간경과 현미경을 사용하여 에리트로박터, 시아노박터, 코리네바시움 등 다양한 생물에서 여러 세대에 걸쳐 세포 주기 지속 시간을 추적하였다.
• 세대 간 자매-자매(ρs-s), 어머니-자식(ρm-d), 사촌-사촌(ρc-c) 쌍의 피어슨 상관계수를 계산하여 내선 및 외선 상관관계를 정량화하였다.
• 이중 차원 비선형 맵 모델—특히 '두꺼운 아르놀트 맵'—을 유도하여 세포 주기의 주기적 진동자(예: 생체 시계)에 대한 결합을 기술하였다.
• 모델은 주기적 외부 자극 항목(Tosc), 기본 세포 주기 지속 시간(τ₀), 피드백 이득(k)을 포함하며, 생물학적 변동성을 모의하기 위해 노이즈(ξ)를 추가하였다.
• 1000개의 계통과 50세대에 걸친 시뮬레이션을 수행하여 기대되는 상관관계 특성을 계산하였고, 이를 ρs-s를 주요 피팅 기준으로 하여 실험 데이터에 적합시켰다.
• 실험에서 관측된 변동성과 동일한 변동계수(CV)를 가진 정규분포를 가진 세포 주기 지속 시간을 가진 랜덤 시뮬레이션을 수행하여 기대되는 상관관계에서의 편차의 통계적 유의성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계통 간 단세포 분열 시간 상관관계는 생체 시계와 같은 주기적 외부 자극, 예를 들어 생체 시계 결합에 의해 구분될 수 있는가?
• RQ2 생체 시계를 가진 생물에서 관측된 세포 주기 지속 시간 상관관계는 단순한 통계 모델의 예측과 다를까?
• RQ3 생체 시계 결합된 생물에서의 세포 주기 지속 시간 비선형 역학은 이차원 비선형 맵 모델과 일치하는가?
• RQ4 생체 시계 결합이 클론 집단 내 세포 간 변동성을 증가시킬까, 이는 모델 예측과 일치하는가?
• RQ5 생체 시계 삭제가 세포 주기 지속 시간 변동성에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 생체 시계를 가진 생물에서 자매 및 사촌 세포 간 세포 주기 지속 시간 상관관계는 단순한 통계 모델로는 설명될 수 없으며, 이는 비선형 역학을 시사한다.
• 관측된 상관관계는 '두꺼운 아르놀트 맵'과 동일한 이차원 비선형 맵 모델에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 주기적 외부 자극의 영향을 묘사한다.
• 모델은 생체 시계 결합이 클론 집단 내 세포 간 변동성을 증가시킨다고 예측하며, 이는 실험적으로 확인되었다.
• 생체 시계 삭제(예: ΔkaiBC 시아노박터)는 세포 주기 지속 시간의 변동성을 유의미하게 감소시키며, 이는 모델 예측과 일치한다.
• ρs-s 상관계수는 가장 유의미하고 안정적인 특성로 나타나 모델 파라미터 피팅의 주요 기준으로 사용되었다.
• 시뮬레이션 결과, 모델은 ρs-s, ρm-d, ρc-c, 평균 세포 주기 지속 시간, CV, 노이즈 수준 ξ 등 실험적 특성을 높은 정밀도로 재현하였다.