[논문 리뷰] Integral Control Feedback Circuit for the Reactivation of Malfunctioning p53 Pathway

Hsu Kiang Ooi, Lan Ma|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 14.

Advanced biosensing and bioanalysis techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비기능성 p53 경로를 가진 세포에서 p53 종양Suppressor 기능을 복원하기 위해 TALE 기반 전사 조절자를 사용한 합성 적분 피드백 제어 회로를 제안한다. 비선형 p53-MDM2-miRNA 네트워크에 제어 이론 원리를 적용함으로써, TALE 분해율과 번역율을 조절함으로써 단계적 교란에 대해 완벽한 적응이 가능함을 입증하였으며, 이는 교란에도 불구하고 기저 p53 수준을 유지함을 의미한다.

ABSTRACT

We developed a strategy to control p53 levels when the p53 concentration falls below a desired threshold . Based on an established p53-MDM2 mathematical model that also incorporates microRNA regulators (p53-MDM2-miRNA), we applied a control action in closed-loop with respect to this model. In particular, we employ various architectures of synthetic circuit with integral feedback control, illustrating varying degree in adaptive response to step-wise perturbation of p53.

연구 동기 및 목표

• 암에서 p53 기능 상실 문제를 해결하기 위해 합성 피드백 제어를 통해 p53의 기저 활성을 복원하고자 한다.
• 비선형 생물학적 네트워크(p53-MDM2-miRNA)에 적분 제어 이론을 적용하여 완벽한 적응을 달성하고자 한다.
• p53의 안정적 균형을 보장하는 TALE 기반 합성 회로에서 실험적으로 조절 가능한 파라미터를 규명하고자 한다.
• 구조적 복잡성(예: 추가 TALE 성분)이 제어기 성능과 적응 범위에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

• Michaelis-Menten 동역학에 의해 지배되는 다차원 비선형 동역학 시스템으로 p53-MDM2-miRNA 네트워크를 수식화한다.
• TALE 기반 전사 활성화제와 억제제를 사용하여 p53 발현을 조절하는 적분 피드백 제어기를 구현한다.
• 내부 모델 원리를 적용하여 교란의 모델을 피드백 루프에 통합함으로써 강건한 완벽한 적응을 보장한다.
• 영구선분 분석과 상미분 방정식의 시뮬레이션을 통해 제어기의 안정성과 적응 능력을 평가한다.
• TALE 분해율(degtr), 번역율(ktr), 최대 발현율(kc)과 같은 핵심 파라미터를 조절하여 성능을 최적화한다.
• 세 가지 회로 아키텍처를 비교한다: (1) 기본 ICF, (2) 상류에 TALE 활성화제를 포함한 경우, (3) 추가 억제제가 있는 경우로, 성능의 상충 관계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지속적인(단계적) 교란이 존재하는 상황에서 설계된 적분 피드백 제어기가 p53 기저 수준을 복원할 수 있는가?
• RQ2 p53 네트워크에서 강건한 완벽한 적응을 달성하기 위해 가장 중요한 TALE 기반 파라미터는 무엇인가?
• RQ3 구조적 복잡성(예: TALE 활성화제 또는 억제제 추가)이 적응의 범위와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 회로 아키텍처에서는 적응 실패가 발생하는가? 그리고 파라미터 조절로 이를 복구할 수 있는가?
• RQ5 비선형 생물학적 시스템에서 적분 누적 또는 포화 현상이 제어기 성능에 얼마나 제한을 가하는가?

주요 결과

• 아키텍처 1(기본 ICF)은 다양한 교란 범위에서 완벽한 적응을 달성하며, degtr를 증가시키고 ktr 및 kc를 감소시킬 경우 최적의 성능을 보인다.
• 제어기 영구선분과 과정 영구선분이 설정값 허용 오차(-5%) 내에서 교차하는 것은 u = 0.6 근처의 교란에 대해서만 가능하여, 효과적인 적응 범위가 제한된다.
• 아키텍처 2(상류에 TALE 활성화제 포함)는 성능이 열악하다: 약한 교란(0.6 < u₂ < 0.8)에 대해서만 적응이 발생하며, 적분 누적으로 인해 큰 오버슈트와 긴 상승 시간을 보인다.
• 아키텍처 3(추가 억제제 포함)는 어떤 교란 크기에도 적응하지 못하며, 제어기와 과정의 영구선분 간에 교차가 없기 때문이다.
• 영구선분 분석은 적응 상실이 제어기와 과정의 영구선분 간 교차가 없을 때와 관련이 있음을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 p53* 활성도가 감소한 경우, TALE 분해율을 1.15배 증가시키고(ktr/0.56), 최대 발현율을 1.01배 감소시킴으로써 보완 가능함을 입증한다.