[论文解读] Integral Control Feedback Circuit for the Reactivation of Malfunctioning p53 Pathway

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

Advanced biosensing and bioanalysis techniques被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于TALE的转录调节因子的合成积分反馈控制回路，用于在p53通路功能失调的细胞中恢复p53肿瘤抑制因子的功能。通过将控制理论原理应用于非线性p53-MDM2-miRNA网络，作者证明，通过调节TALE的降解速率和翻译速率，可实现对阶跃扰动的完美适应，从而在干扰下维持基础p53水平。

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.

研究动机与目标

• 通过合成反馈控制恢复p53在癌症中的基础活性，以解决p53功能丧失的问题。
• 将积分控制理论应用于非线性生物网络（p53-MDM2-miRNA）以实现完美适应。
• 识别基于TALE的合成回路中可实验调节的参数，以确保p53稳态的鲁棒性。
• 评估结构复杂性（例如，增加TALE组分）对控制器性能和适应范围的影响。

提出的方法

• 将p53-MDM2-miRNA网络形式化为由米氏动力学控制的多维非线性动力系统。
• 利用基于TALE的转录激活子和抑制子实现积分反馈控制器，以调节p53表达。
• 应用内部模型原理，通过在反馈回路中嵌入扰动模型，确保鲁棒的完美适应。
• 使用零曲率分析和常微分方程模拟，评估控制器的稳定性和适应能力。
• 调节关键参数，如TALE降解速率（degtr）、翻译速率（ktr）和最大表达速率（kc），以优化性能。
• 比较三种电路架构：(1) 基础ICF，(2) 上游带有TALE激活子，(3) 带有额外抑制子，以评估性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在持续（阶跃）扰动的情况下，工程化积分反馈控制器能否恢复p53的基础水平？
• RQ2 在p53网络中，哪些基于TALE的参数对实现鲁棒的完美适应最为关键？
• RQ3 结构复杂性（例如，增加TALE激活子或抑制子）如何影响适应范围和稳定性？
• RQ4 某些电路架构中适应失败的原因是什么？是否可通过参数调节恢复？
• RQ5 积分饱和或饱和效应在非线性生物系统中在多大程度上限制控制器性能？

主要发现

• 架构1（基础ICF）在各种扰动范围内均实现完美适应，当degtr增加且ktr与kc降低时性能最优。
• 仅当扰动在u = 0.6附近时，控制器零曲率与过程零曲率在设定点容差（-5%）内相交，限制了有效适应范围。
• 架构2（上游带有TALE激活子）性能下降：仅对弱扰动（0.6 < u₂ < 0.8）实现适应，且因积分饱和导致大幅超调和长上升时间。
• 架构3（带有额外抑制子）对任何扰动幅度均无法实现适应，因控制器与过程零曲率无交点。
• 零曲率分析证实，适应性的丧失与控制器和过程零曲率之间无交点密切相关。
• 模拟结果验证了：提高TALE降解速率（degtr*1.15）、降低翻译速率（ktr/0.56）和减少最大表达量（kc/1.01）可补偿p53*活性的降低。