[논문 리뷰] Modeling potent pathways for APC/C inhibition: pivotal roles for MCC and BubR1

Bashar Ibrahim|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 15.

Microtubule and mitosis dynamics참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 스플라인 조립 체크포인트 동안 분열조직복합체/사이클로스로좀(APC/C)를 억제하는 조절 경로를 모델링하기 위해 시스템 생물학적 접근을 사용한다. 다섯 가지 모델 변형을 테스트한 결과, 유일하게 미토틱 체크포인트 복합체(MCC)와 BubR1을 동시에 강력한 APC/C 억제제로 포함한 모델만이 원형 및 돌연변이형 표현형을 정확히 재현하였으며, 이는 세포 주기 조절에서 이들의 핵심적이고 상호보완적인 역할을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스플라인 조립 체크포인트 기간 동안 APC/C 억제의 가장 정확한 분자 모델을 규명하는 것.
• APC/C 활성화를 조절하는 경쟁적 조절 경로에 대한 모순을 해결하는 것.
• 실제 생체 내에서 MCC, BubR1 또는 그 조합이 APC/C의 주요 억제제인지를 규명하는 것.
• 문헌에 기록된 실험 데이터와 모델 예측을 대조하여 검증하는 것.
• 시스템 생물학이 생물학적으로 타당한 조절 메커니즘을 구분하는 데의 유용성을 입증하는 것.

제안 방법

• 다섯 가지 동적 모델 변형을 구축함: BubR1 전용, Mad2 전용, MCC 전용, MCF2 전용, 및 모든 경로 포함 모델.
• 각 모델은 단백질 상호작용을 기술하는 상미분방정식(ODEs)을 사용하여 APC/C 억제의 동역학을 시뮬레이션함.
• 실험적 행동을 재현하는 데 필요한 APC 결합 속도의 핵심 값들을 식별하기 위해 매개변수 공간을 체계적으로 탐색함.
• 공개된 실험 데이터로부터의 원형 및 돌연변이형 표현형과 모델을 대조하여 검증함.
• 모델 성능 비교 및 최적 기작 식별을 위해 민감도 및 강건성 분석을 실시함.
• 시스템 생물학 프레임워크를 통해 동일한 생물학적 시스템 내에서 경쟁적 가설을 정량적으로 비교할 수 있었음.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MCC, BubR1, Mad2, 또는 MCF2 중 어떤 조합의 억제 경로가 APC/C 억제의 관찰된 동역학을 가장 잘 설명하는가?
• RQ2 MCC와 BubR1를 모두 포함한 모델이 APC/C 조절의 원형 및 돌연변이형 표현형을 모두 재현할 수 있는가?
• RQ3 매개변수 변화가 각 모델 변형의 강건성과 정확성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 모든 경로를 포함한 모델은 개별 경로 모델과 비교해 어떻게 생물학적 행동을 더 잘 반영하는가?
• RQ5 시스템 수준의 모델링은 APC/C 억제의 분자 메커니즘에 대한 모순을 해결하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• MCC와 BubR1를 모두 억제제로 포함한 모델만이 APC/C 조절의 원형 및 돌연변이형 표현형을 성공적으로 재현하였다.
• MCC-BubR1 이중 억제 모델은 광범위한 매개변수 값 범위에서 뛰어난 강건성과 일관성을 보였다.
• MCC 전용 또는 BubR1 전용 등의 다른 모델 변형은 돌연변이 행동을 포괄하지 못하여 기전 표현이 불완전함을 시사함.
• 기능적 또는 비기능적 조절 동역학을 구분하는 데 핵심적인 APC 결합 속도의 임계 매개변수 임계값을 규명함.
• 시스템 생물학적 접근은 다섯 가지 경쟁 모델을 성공적으로 구분하여 가장 생물학적으로 타당한 기작을 규명함.
• 결과는 미세분열 기간 동안 정확한 APC/C 조절을 위해 다수의 억제 경로 통합이 필수적임을 강조한다.