[논문 리뷰] Heat shock partially dissociates the overlapping modules of the yeast protein-protein interaction network

Ágoston Mihalik, Péter Csermely|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 15.

Bioinformatics and Genomic Networks인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 열충격이 효모의 단백질-단백질 상호작용 네트워크(S. cerevisiae)의 전반적 조직을 부분적으로 해체시켜 모듈 간 겹침과 연결성이 감소하고 가중치가 부여된 지름이 4.9배 증가하게 된다고 밝혀냈다. 재조직화는 쌍무운에서 쌍무운으로의 전이와 유사하며, 핵심 열충격 단백질들이 국소적 핵심 노드와 잔여 다리를 형성함으로써 스트레스에 대한 일반적인 체계 수준의 적응 메커니즘이 존재할 가능성이 제기된다.

ABSTRACT

Network analysis became a powerful tool in recent years. Heat shock is a well-characterized model of cellular dynamics. S. cerevisiae is an appropriate model organism, since both its protein-protein interaction network (interactome) and stress response at the gene expression level have been well characterized. However, the analysis of the reorganization of the yeast interactome during stress has not been investigated yet. We calculated the changes of the interaction-weights of the yeast interactome from the changes of mRNA expression levels upon heat shock. The major finding of our study is that heat shock induced a significant decrease in both the overlaps and connections of yeast interactome modules. In agreement with this the weighted diameter of the yeast interactome had a 4.9-fold increase in heat shock. Several key proteins of the heat shock response became centers of heat shock-induced local communities, as well as bridges providing a residual connection of modules after heat shock. The observed changes resemble to a stratus-cumulus type transition of the interactome structure, since the unstressed yeast interactome had a globally connected organization, similar to that of stratus clouds, whereas the heat shocked interactome had a multifocal organization, similar to that of cumulus clouds. Our results showed that heat shock induces a partial disintegration of the global organization of the yeast interactome. This change may be rather general occurring in many types of stresses. Moreover, other complex systems, such as single proteins, social networks and ecosystems may also decrease their inter-modular links, thus develop more compact modules, and display a partial disintegration of their global structure in the initial phase of crisis. Thus, our work may provide a model of a general, system-level adaptation mechanism to environmental changes.

연구 동기 및 목표

• 열충격 스트레스 동안 효모 단백질-단백질 상호작용 네트워크(상호작용 네트워크)가 어떻게 재조직되는지 조사하기 위해.
• mRNA 발현 데이터를 사용하여 상호작용 네트워크 내 모듈 간 겹침과 연결성의 변화를 분석하기 위해.
• 스트레스 기간 동안 상호작용 네트워크의 구조적 재조직화가 일반적인 체계 수준의 적응 메커니즘을 반영하는지 규명하기 위해.
• 핵심 열충격 반응 단백질이 재조직화된 네트워크에서 핵심 노드와 다리 역할을 하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 열충격 기간 동안 mRNA 발현 변화를 기반으로 효모 상호작용 네트워크의 상호작용 가중치 변화를 계산하였다.
• 가중치가 부여된 네트워크 분석을 사용하여 단백질-단백질 상호작용를 매핑하여 연결성과 모듈 조직을 평가하였다.
• 구조적 재조직화를 평가하기 위해 가중치가 부여된 지름과 모듈 겹침 등의 네트워크 구조학적 변화를 정량화하였다.
• 열충격을 받은 네트워크 내 핵심 핵심 단백질을 특정하고, 모듈 간 연결성에 대한 그들의 역할을 분석하였다.
• 쌍무운과 쌍무운 구름 형성과의 시각적 및 구조적 유사성을 사용하여, 전반적으로 연결된 네트워크에서 다중핵심 구조로의 전이를 묘사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열충격은 효모 상호작용 네트워크 내 기능적 모듈 간 겹침과 연결성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 열충격은 효모 단백질-단백질 상호작용 네트워크의 전반적 구조학적 조직에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 재조직화된 네트워크에서 어떤 단백질이 중심이 되었으며, 그들이 잔여 연결성을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 관찰된 네트워크 재조직화는 쌍무운에서 쌍무운 구름 형성과 같은 알려진 구조 전이와 유사한가?

주요 결과

• 열충격은 효모 상호작용 네트워크의 가중치가 부여된 지름을 4.9배 증가시켜 심각한 구조적 재조직화를 나타냈다.
• 열충격 이후 상호작용 네트워크 내 기능적 모듈 간 겹침과 연결성이 뚜렷하게 감소하였다.
• 핵심 열충격 반응 단백질들이 국소 공동체 내 핵심 노드로 부상하고 모듈 간 브리지 역할을 하여 부분적인 연결성을 유지하였다.
• 비스트레스 상태의 상호작용 네트워크는 전반적으로 연결된 쌍무운 유사한 구조를 보였고, 열충격을 받은 상호작용 네트워크는 다중핵심, 쌍무운 유사한 조직을 취하였다.
• 관찰된 재조직화는 전반적 네트워크 구조의 부분적 해체를 암시하며, 이는 환경 스트레스에 대한 일반적인 체계 수준의 적응 메커니즘일 수 있다.