[논문 리뷰] Optimal experimental design in an EGFR signaling and down-regulation model

Fergal Casey, Dan Baird외 7명|ArXiv.org|2006. 10. 12.

RNA Research and Splicing참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 EGFR 신호전달 및 당행성화에 대한 미분방정식 모델에 최적의 실험 설계를 적용하여 쿨-1/Cdc42/Cbl 복합체를 포함한다. 실험 데이터와 불확실성 정량화를 통합함으로써 모델은 생물학적 상호작용을 정교화하고 측정이 어려운 종량을 신뢰성 있게 예측하며, 예측 불확실성을 크게 줄일 수 있는 최소한의 새로운 실험(예: 활성 Cdc42 측정)을 규명한다. 이는 삼중 복합체가 볼거리 세포에서 기능적으로 중요한 역할을 한다는 것을 확인한다.

ABSTRACT

We apply the methods of optimal experimental design to a differential equation model for epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling, trafficking, and down-regulation. The model incorporates the role of a recently discovered protein complex made up of the E3 ubiquitin ligase, Cbl, the guanine exchange factor (GEF), Cool-1 (Beta-Pix), and the Rho family G protein Cdc42. The complex has been suggested to be important in disrupting receptor down-regulation. We demonstrate that the model interactions can accurately reproduce the experimental observations, that they can be used to make predictions with accompanying uncertainties, and that we can apply ideas of optimal experimental design to suggest new experiments that reduce the uncertainty on unmeasurable components of the system.

연구 동기 및 목표

• 실험 관찰, 특히 쿨-1/Cdc42/Cbl 복합체에 관여하는 바이오메커니즘 모델을 더욱 정교화하여 반영한다.
• 측정가능하거나 간접적으로 측정 가능한 시스템 성분의 예측 불확실성을 정량화하는 도전 과제를 해결한다.
• 예측 불확실성을 줄이는 데 가장 정보를 많이 얻을 수 있는 새로운 실험을 최적의 실험 설계를 통해 규명한다.
• 최근 수집한 총 활성 Cdc42에 대한 실험 데이터와 비교하여 모델의 예측 능력을 검증한다.

제안 방법

• 문헌에서 유래한 비율 상수와 초기 조건을 바탕으로 41개의 생화학적 종류(복합체 포함)를 기술하는 56개의 미분방정식 시스템을 개발하고, 시간에 따른 웨스턴 블롯 데이터에 적합시킨다.
• 베이지안 추론과 마르코프 체인 몬테카를로를 적용하여 매개변수의 불확실성을 추정하고, 이를 모델 전파를 통해 예측 불확실성을 정량화한다.
• 후행 공분산 행렬의 행렬식을 최소화하는 설계 기준을 적용하여 정보 수확량을 극대화하는 최적의 실험 조건을 규명한다.
• 삼중 복합체의 결합 및 해리 속도에 대한 가상 실험 시뮬레이션을 수행하고, 이들이 복합체의 시간적 동역학 예측 불확실성 감소에 미치는 영향을 평가한다.
• 스케일 요소를 사용하여 최근 수집한 총 활성 Cdc42에 대한 실험 데이터를 모델에 통합한 후, 삼중 복합체에 대한 예측 불확실성을 재평가한다.
• 실제 데이터와 최적 설계 실험의 불확실성 감소 정도를 비교하여 실제 측정의 정보성 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정교화된 미분방정식 모델은 EGFR 신호전달 및 당행성화에 대한 실험적 시간적 데이터, 특히 쿨-1/Cdc42/Cbl 복합체의 역할을 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ2 측정가능하지 않은 종량(예: 활성 쿨-1/Cdc42/Cbl 복합체)의 역학을 예측할 수 있는 불확실성 정량화는 어느 정도까지 가능한가?
• RQ3 최적의 실험 설계에 기반한 새로운 실험 중에서 어떤 것이 핵심 측정 불가능 성분의 예측 불확실성을 가장 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 총 활성 Cdc42에 대한 실제 실험 데이터를 포함함으로써 삼중 복합체에 대한 모델의 예측 신뢰도가 향상되는가? 또한 이는 최적 설계의 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 모델은 EGFR 신호전달 및 당행성화에 대한 실험적 시간적 데이터를 성공적으로 재현하며, 인산화된 ERK 및 총 활성 Cdc42와 같은 핵심 종의 동역학도 잘 반영한다.
• 매개변수의 불확실성이 크더라도 기존 데이터와 모델 구조의 강력한 제약 덕분에 측정가능하지 않은 종량(예: 삼중 복합체)의 예측 불확실성은 낮게 유지된다.
• 삼중 복합체의 결합 및 해리 상수에 대한 가상 측정은 예측 불확실성 감소에 거의 영향을 주지 않아, 불확실성의 주요 기여 요소가 복합체의 상游 성분임을 시사한다.
• 스케일 요소를 사용해 통합된 총 활성 Cdc42에 대한 실제 실험 데이터는 활성 쿨-1/Cdc42/Cbl 복합체의 예측 불확실성을 크게 줄이며, 최적 설계로 달성한 수준에 근접하게 만든다.
• 모델은 삼중 복합체의 형성 및 해리 시간적 동역학을 강력하고 일관되게 예측하며, 이는 Cbl를 격리시키고 정상적인 수용체 당행성화를 방해하는 데서 그 기능적 역할을 뒷받침한다.
• 이 연구는 최적의 실험 설계가 생물학적으로 의미 있는 실험을 이끌어내며, 최소한의 실험 노력으로도 높은 정보 수확량을 얻을 수 있음을 보여주며, 모델 검증 및 가설 검증을 향상시킨다.