Abstract
Et boolsk dynamisk system integrere de viktigste signalveier involvert i kreft er konstruert basert på den tiden kjente protein-protein interaksjon nettverk. Dette systemet viser stasjonære protein aktiveringsmønstre – attraktorer – avhengig av cellens mikromiljøet. Disse dynamiske attraktorer ble bestemt gjennom simuleringer og deres stabilities mot mutasjoner ble testet. I et høyere hierarkisk nivå, var det mulig å gruppere nettverks attraktorer inn i forskjellige celle fenotyper og bestemme driver mutasjoner som fremmer fenotypiske overganger. Vi finner at sjåføren noder er ikke nødvendigvis sentral i nettverket topologi, men minst de er direkte regulering av sentrale komponenter til som konvergerer eller gjennom hvilke crosstalk forskjellige kreftsignalveier. De predikerte sjåfører er i samsvar med de påpekt av ulike folketellingen av kreftgener nylig utført for flere kreft hos mennesker. Videre våre resultater viser at celle fenotyper kan utvikle seg mot full malignitet gjennom forskjellige sekvenser av akkumulerte mutasjoner. Spesielt nettverksmodellen støtter rutene for karsinogenese er kjent for noen tumortyper. Til slutt blir den boolske nettverksmodellen anvendt for å vurdere resultatet av molekylært målrettet kreftterapi. Den store funn er at monoterapi var tilsetningsstoff i sine effekter og at foreningen av målrettede medikamenter er nødvendig for kreft utrydding
Citation. Fumia HF, Martins ML (2013) boolsk Network Modell for Cancer Pathways: Forutsi Karsinogenese og målrettet behandlingsresultater. PLoS ONE 8 (7): e69008. doi: 10,1371 /journal.pone.0069008
Redaktør: James P. Brody, University of California, Irvine, USA
mottatt: 9 april 2013; Akseptert: 9. juni 2013, Publisert: 26.07.2013
Copyright: © 2013 Fumia, Martins. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Forfatterne takke de brasilianske støtteorganer Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de nivel superior, Faculdade de Medicina da Universidade Federal de Minas Gerais og Facepe. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Kreft er en genetisk sykdom som stammer, med få unntak, fra mutasjoner på enkeltsomatiske celler som ser bort fra den normale kontroll av spredning, invadere nærliggende normalt vev, og gir opphav til sekundære svulster (metastase) på nettsteder forskjellige fra sin primære opprinnelse [1]. I den menneskelige befolkning, refererer kreft til flere former av en sykdom som kan utvikle seg i nesten alle vev i kroppen, [2]. I dag, kreft erstattet hjertesykdom som den ledende dødsårsaken blant USAs innbyggere yngre enn år [3], og vil trolig bli den ledende i enkelte andre deler av verden i løpet av få år [4]. Alt hver krefttype har unike funksjoner, alle disse ulike svulstene utvikler seg i henhold til en universell ordning av progresjon [5] som innebærer genetiske og epigenetiske arrangementer, samt et intrikat nettverk av interaksjoner mellom kreftceller og deres vertsmikromiljøet (stromale celler og ekstracellulære matrise ).
tumorvekst er egentlig Multiscale i naturen. Det innebærer fenomener som forekommer over en rekke romlige skalaer fra vev (for eksempel invasjon og angiogenese) til molekylære lengdeskala (for eksempel mutasjoner og genet Slå), mens tidsrammene variere fra sekunder for å signalisere til år for kreft dobling ganger. Videre er alle disse prosessene sterkt koplet. Faktisk kan et onkogen aktivering gi en proliferativ fordel for en gitt celle, fremmer dens klonal ekspansjon og tømming av næringsstoffet, og oksygentilførselen, som i sin tur påvirke veksten av cellekloner. For å overleve i et hypoksisk (lavt nivå av oksygen) miljø, kan de transformerte celler får nye egenskaper som motstand mot apoptose av et svulsthemmer-gen-inaktivering eller aktivert syntesen av vekstfaktorer som stimulerer angiogenese. Dermed informasjonsflyt ikke bare fra finere til grovere skalaer, men mellom en skålvekt [6].
Til tross for omfattende informasjon om den genetiske og molekylære grunnlaget for kreft for tiden tilgjengelig, integrering av denne informasjonen inn i fysiologisk miljø av funksjon av celler og vev er fortsatt en stor utfordring. På grunn av kompleksiteten og redundans av tumor overlevelse og vekstveier, økende motstand og tumorprogresjon fremdeles er regelen for pasienter med avansert kreft. Bedre diagnostiske og effektive anticancer terapi krever et fundamentalt systemisk forståelse av sykdommen, som starter fra det molekylære nivå. Der fremkommer kompleksitet fra det store antall samvirkende proteiner og krysstale mellom forskjellige cellesignalveier. Denne store nettverk av kompleksitet, karakterisert ved flere tilbakekoblingssløyfer, ikke vil bli forstått ved kun å beskrive dens enkelte veier. En integrerende tilnærming vurderer forenklede celle-wide modeller av protein interaksjoner avhengig av eksterne miljøsignaler og akkumulerte genetiske endringer er etterspurt. I tillegg modellering protein interaksjon nett i kreft er viktig å konstruere «mikroskopisk» (molekyl) nivå i Multiscale modeller av tumorvekst [6].
Når det gjelder modellering av genetiske interaksjoner, boolske nettverk er et lovende rammeverk [7]. I stedet for å gi kvantitativt nøyaktige dynamiske baner tatt av komplekse nettverk, denne klassen av diskrete systemer, med binære tilstander, kvalitativt forutsi sekvenser av statene åpnet av disse nettverkene langs deres timelige utvikling. Dette gjelder spesielt for alarm og reguleringskretser hvor aktivering og hemming er de grunnleggende svar. Videre Boolske modeller bruker mye mindre parametere, slik som biokjemiske reaksjonshastigheter eller bindingsaffiniteter, ofte vanskelig å måle, enn de tradisjonelle differensialligninger tilnærming. Vellykkede anvendelser av boolske nettverk i biologi inkluderer reproduksjon av gjær
S. Pombe
finnes i cellesyklus [8], pattedyrcellesyklus [9], i løpet av celledifferensiering i begynnelsen av embryogenesen [10], signalerings mekanismer som ligger under T-celleaktivering [11], og virkemåten til apoptotiske pathway [12], [13].
i denne studien vi konstruere en boolsk nettverksmodell integrere de viktigste signalveier som er involvert i kreft. Disse trasé og nettverksforbindelses dem er omtalt i neste ledd. Etablert nettverkstopologi, er dens dynamikk definert og validert i senere ledd. Deretter de dynamiske attraktorer, deres stabilitet til mutasjoner, og nettverket svar på målrettede «angrep» rapporteres i neste avsnitt. Disse resultatene tolkes i form av mutasjons hendelser som fører til kreftutvikling og kreftcelle respons på molekylært målrettede midler. Til slutt konkluderer vi med en diskusjon hvor disse biologisk tolkning vektlegges og konfrontert med eksperimentelle data om kreft genom og onkogenese.
Hoved Cancer Pathways
I en banebrytende artikkel [14], Hanahan og Weinberg foreslått et logisk rammeverk for å forstå mangfoldet og kompleksiteten av kreft. Nøkkelen oppfatningen er at langs den flertrinnsprosess svulst patogenesen, normall cellene trenger for å skaffe seg seks biologiske egenskaper for å til slutt bli ondartet. Dette er egenskapene til «opprettholde proliferativ signalisering, gå utenom vekstdempere, motstand celledød, slik replicative udødelighet, indusere angiogenese, og aktivere invasjon og metastase» [15]. Oppkjøpet av slike egenskaper er sikret av genomet ustabilitet. Alle gener er potensielt utsatt for mutasjoner. Derved er det flere alternative måter å oppnå den samme celle fenotypiske transformasjon. Men det er mange færre signalbaner som kontrollerer cellerespons enn gener. Snarere enn enkeltgener, synes det mer hensiktsmessig å fokusere på veier som har en rolle i mange svulster [16]. De inkluderer de som omfatter reseptor-tyrosinkinase (RTK), phosphatidylinosital 3-kinase (PI3K) /AKT, WNT /-Catenin, transformerende vekstfaktor (TGF -) /Smads, retinoblastom protein (Rb), hypoksi-induserbar transkripsjon faktor (HIF -1), p53 og ataksi-telangiectasia mutert (ATM) /ataksi-telangiectasia og Rad3 relaterte (ATR) proteinkinaser. Disse store veier som regulerer celledød og dele spredning noen gener og viser en betydelig krysstale blant dem. Noen av banene ble undersøkt detaljert i isolasjon [12], [17], [18], men for å integrere dem en naturlig organiserende prinsipp er å representere disse banene som et nettverk. På grunn av kompleksiteten og Lakuner til stede i sin struktur, er en operasjons alternativt arbeide med en forenklet modell nettverk.
konstruert, forenklet signaleringsnett er illustrert i figur 1. Den inneholder noder og kanter. Disse nodene representerer en betydelig undergruppe av proteiner involvert i kreft og nettverks kantene produserer mange parallelle veier og alternative ruter gjennom som transformerte celler kan opprettholde avvik genuttrykksmønster, overleve og utvikle seg videre malignitet. Nettverket har inngangsnoder for å bruke forskjellige miljømessige stimuli og belastninger til cellen som hypoksi, kreftfremkallende, næringsstoffer utarming, proliferativ og vekst undertrykkende signalings.
Lenker tilsvare interaksjoner mellom proteiner og til hver node er tilknyttet en terskel funksjon, eq. 1. Aktivere interaksjoner er representert med piler og hemmende interaksjoner med linjer med en bar. Inngangs noder er vist i rødt.
Den topologiske strukturen av denne kreftformen Nettverket ble preget i form av sin korteste veien lengde, clustering koeffisient og tilkoblings eller grad distribusjoner [19]. Disse mengder ble sammenlignet med de gjennomsnittlige motstykker for tilfeldige nett med samme antall noder (se tabell 1). Det kan bemerkes at kreften nettverket har en mye høyere gruppering koeffisient enn tilfeldige nettverk. Viktige trekk ved komplekse nettverk er deres tilkoblings distribusjoner. Regissert nettverk er preget av i-grad og ut-graders distribusjoner. er sannsynligheten for at en node i nettverket har innganger eller er «regulert» av andre hjørnene. I sin tur, er sannsynligheten for at en node «regulerer» andre hjørnene. I figur 2 er disse fordelingene for kreft nettverket er vist.
(a) i grader og (b) ut-grad fordelinger. De innfellinger foreslå eksponentiell og makt lov distribusjoner for antall noder regulerende og regulert av en gitt node, henholdsvis.
en boolsk Dynamics for Cancer Pathways
Hver protein
i
, en node i nettverket, er representert ved en binær tilstand,. Når proteinet er funksjonelt aktiv. Tvert imot, når proteinet er inaktiv. Nettverket tilstand ved et gitt tidspunkt er angitt ved dets proteinaktivitet mønster. Hvert protein samhandler med andre innsats proteiner. Disse innganger er alle nodene i nettverket som en rettet kobling sendes mot proteinet, inkludert eventuelt i seg selv. I så fall er den i-graden av noden. I sin tur kan hver kobling være enten en aktiverende eller inaktivere interaksjon. Aktivering eller hemming kan være et resultat av ulike biokjemiske mekanismer som transkripsjonsregulering, fosforylering, enzymatisk eller avventende interaksjoner.
dynamikken i nettverk fortsetter i diskrete tids skritt gjennom samtidig (parallell) oppdatering av statene dets noder i henhold til regelen. (1)
Her er samspillet styrke fra inngangen på protein. En aktiverings interaksjon er positiv og en hemmende en er negativ. Terskelen funksjon er enhetlig trinnfunksjon (dersom men hvis). Til slutt, er aktiveringen terskel av protein. Dermed evaluerer hvert protein dagens stimulans fra alle sine innganger. Hvis den generelle stimulans den mottar ved overvinner sin aktivering terskel, aktiverer protein, eller forblir aktiv hvis det var allerede aktiv; ellers blir det inaktive eller forblir inaktive. Tekst S1 viser alle oppdatere reglene i modellen (se tekst S1). Som understreket i referanse [8], en dramatisk forenkling satt inn i denne utviklingen regel består i forsømmelse noen forskjell i tidsskala for de biokjemiske interaksjoner involvert.
Resultater
Basic fenotyper
Siden staten løpet av en boolsk nettverk med noder inneholder forskjellige konfigurasjoner, dets deterministisk dynamikk, så som en flyt i denne tilstanden plass, til slutt vil drive systemet mot attraktorer. Slike attraktorer er spesielle undergrupper av stater, enten et fast punkt, jeg. e, en enkel nettverkskonfigurasjon, eller en grense syklus av periode, som består av stater sekvensielt besøkt av nettverksdynamikk. Disse attraktorer tilsvarer spesifikke protein aktiveringsmønstre og kan tolkes som forskjellige celle fenotyper.
Tretti to millioner første statene, knyttet til alle miljøforhold, strømmet inn attraktorer (festepunkter og grense sykluser). Alle attraktorer er oppført i tekst S1. Staten plass er hierarkisk organisert. På et høyere nivå, er det delt inn i undergrupper av statene ved ulike miljøforhold. På et lavere nivå, er hver av disse undergrupper delt inn i skåler av tiltrekning knyttet til ulike attraktorer. Ingen av disse tiltrekkere kan nås fra opprinnelig forskjellige miljøforhold. Således blir repertoaret av celle-adferd (attractors) bestemmes entydig av cellen mikromiljøet.
Selv om distinkt disse tiltrekkere kan klassifiseres i grupper som kjennetegnes ved spesifikke fenotyper, noen av dem består av meget like elementer, i. e, å ha små Hamming-avstand mellom dem (Tekst S1). Fenotypene ble definert som tar hensyn til tilstander av en liten undergruppe av noder, i stedet for alle proteiner i nettverket. Tatt i betraktning effekten av mutasjoner, rapporteres på neste ledd, de inkluderer følgende grunnleggende celle fenotyper: apoptotisk, preget av aktive caspases; glycolytic, med H1f1 aktivert i henhold normoxia; udødeliggjort, der hTert er aktiv; trekkfugl, forbundet for å inaktivere E-cadherin; mutator, som svarer til inaktive Atm /ATR-proteiner i nærvær av DNA-skade; proliferativ, hvori cykliner aktiveres langs cellesyklus i riktig rekkefølge; og stillestående, med cykliner inaktive eller aktivert i feil rekkefølge. I forhold til slike fenotyper, er nettverket respons på mangfoldet av microenvironments svært begrenset, som vist i figur 3. Blant de attraktorer, tilsvarer apoptotiske, til proliferativ og til hvilende fenotyper, som tiltrekker, og over testede første statene, henholdsvis .
Tre fenotyper (apoptotiske, proliferativ og stillestående) er generert som svar på alle forskjellige miljøforhold. Her er et mikromiljø som er angitt av binærsekvens av verdier knyttet til inngangsnoder (karsinogener, vekstfaktorer næringstilførsel, vekstdempere, hypoksi). For eksempel er mikromiljøet (11000) svarende til en kreftfremkallende og mitogen bakgrunn fører cellen til enten en apoptotisk (i 99,8% av de opprinnelige tilstander) eller en hvilende fenotype (sjelden). I vårt nettverk, kreftfremkallende lokke fram DNA-skade og TNF er den undertrykkende vekst signal.
Spesielt for noen miljøforhold atferd Emergent fra hele nettverket ble sammenlignet med de av en normal celle. Under normoxia og tilstrekkelig næringstilførsel, når nettverket fra alle kompatible første statene et fast punkt tolkes som en hvilende fenotype. Hvis det i tillegg til normoxia og nærings overflod, er vekstfaktor signale kvittering, nettverket alltid utvikler seg til en grense syklus forbundet til en proliferativ fenotype. Slik at, som forventet, normale celler er helt avhengig av deres proliferasjon ved mitogene signaler [20]. Videre under hypoksi, tilstrekkelig næringstilgang og fravær av vekstfaktorer, er nettverket tilt fra alle kompatible første landene til et fast punkt som tilsvarer en apoptotisk fenotype. Konsekvent, er programmert celledød den typiske responsen av somatiske celler til mange former for stress som hypoksi og næringsmangel [20].
Under et hypoksisk miljø med næringsstoffer og vekstfaktorer, viser bistabilitet nettverket. Den er enten tiltrukket til hvile fenotypen (i av de innledende tilstander) eller til den apoptotiske fenotypen (i av de opprinnelige tilstander). Følgelig er det kjent at hypoksi-avhengig aktivering av HIF1 hemmer Myc, som fører til cellesyklus-stans [21]. Dessuten kan HIF1 binde til og stabilisere p53, noe som resulterer i apoptose eller vekststans. Bistabilitet er også observert hvis DNA-skade er innført i et scenario av normoxia, tilstrekkelig næringstilgang, og mitogen signalisering: rundt av de kompatible første statene er tiltrukket av apoptotiske fenotype, mens en svært liten del () av dem nå den proliferative fenotype. Igjen er det allment kjent at cellesyklus er lett avbrutt og apoptose utløses av DNA-skade på normale celler. Men en proliferativ respons, selv om sjeldne, endows endret somatiske celler med en proliferativ kapasitet. I vår modell er dette proliferativ respons knyttet til to forskjellige grenseverdier sykluser. I en av dem de anti-apoptotiske signaler – BCL2, BCL-XL, og MDM2 – er gjennomgående aktiv mens pro-apoptotiske signaler – Bad, Bax, p53 – er inaktive. I den andre, Bad og Bax er inaktive, men p53 og anti-apoptotiske signaler som oscillerer på en slik måte at når p53 er aktivert, det samme skjer med BCL2, Bcl-Xl, og MDM2. Deretter er det resultat at caspases, de effektorer av apoptose, er alltid inaktive langs disse grense sykluser.
Oppsummering, genererer svar sammenhengende med det som ble observert i en normal celle under ulike somatiske miljøer, indikerer den fundamentale hele nettverket riktigheten av modellen.
mutasjons Events og Karsinogenese
Vi har i tillegg sjekket robusthet (stabilitet) av attraktorer til mutasjoner i nettverksnoder og /eller koblinger. Dette er et sentralt trekk fordi begynnende kreftcellene trenger for å skaffe kjennetegn hos til slutt bli ondartet [15] og genom instabilitet ligger bak disse oppkjøpene. Når en mutasjon ble innført, er noden DNA skader permanent slått på, aktiverer ATM /Atr veien. Har vi fokusert på attraktorer knyttet til to miljøforhold, nemlig tilstrekkelig næringstilførsel og enten normoxia eller hypoksi, ofte er tilstede i begynnelsen av karsinogenese.
Under normoxia og tilstrekkelig næringstilførsel, ble det funnet at mutasjoner i proteiner omdanne tidligere hvile, normal celle til en prolifererende en. Disse proteinene, så vel som arten av de driver mutasjoner og deres effekt er oppført i tabell 2. I sin tur under hypoksi og tilstrekkelig næringstilgang, mutasjoner i proteiner som aktiverer den transformerte cellen for å unngå apoptose tidligere indusert ved hypoksi (tabell 3). Proteinet NF-B er felles for tabell 2 og 3, og dermed kan det muliggjøre en transformert celle til samtidig utvikler proliferativ kapasitet og unndra apoptose.
Vi undersøkte også effekten av defekt DNA integritet sensorer som svekker en celle for å detektere forekomsten av mutasjoner. Nå er noden DNA skader permanent slått av og ikke aktiverer ikke ATM /Atr veien. Under normoxia og tilstrekkelig næringstilførsel, antallet av muterte proteiner som omdanner en stillestående, defekt celle til en prolifererende man øker til. Likevel, øker antallet av muterte proteiner som gi til en hypoksisk, defekt celle kapasitet til å unngå apoptose også til. Disse proteinene inkluderer Akt, BCL2, EGFR, NF-B, p53, PI3K, PTEN, Ras og Wnt (se tabell S3 og S4). I fravær av et intakt DNA-skade reparasjon sti, der ATM og ATR spille sentrale roller, våre resultater tyder på at nettverks attraktorer bli mer utsatt for strukturelle endringer, eller i biologiske termer, utstillings økt genomisk ustabilitet.
Til slutt undersøkte vi om noder som mutasjoner kan gi kjennetegn evner til den transformerte celle har spesiell status i nettverkstopologi. For alle dem deres betweenness sentralitet var fast bestemt på [19]. Tre grupper har blitt observert. Den første, som består av åtte noder (Akt, Hif1, hTert, ikk, mTOR, MYC, NF-B, og p53), har mer enn dobbelt nettverket gjennomsnittlig sentralitet. Videre er gruppen gjennomsnittlig tilkobling og syv av sine elementer er sterkt koblet til (). Disse resultatene indikerer sentralitet nodene i denne gruppen som konvergerer eller gjennom hvilke crosstalk forskjellige signalveier. Den andre gruppen, som inneholder noder med, inkluderer MDM2 og Pdk1. I tillegg er gruppen gjennomsnittlig tilkobling og halvparten av dem viser mellom connectivities (). Endelig er den tredje gruppen preget av små () og connectivities (). Blant dens elementer, BCL2, Bcl-x, EGFR, Gli, NF1, PhD, PI3K, PKC, PTEN, Ras, snegle, VHL, og Wnt, ni har små connectivities. Selv om disse nodene ikke er topologisk sentral, nesten alle er nærmeste naboer (direkte regulatorer) for sentrale noder fra den første gruppen. Derfor antar de store roller i nettverksdynamikk.
tykktarmskreftutvikling.
Her undersøker vi om kreftcellene trenger bare noen få driver mutasjoner (de som endrer fenotypiske trekk) for å håndtere alle miljø begrensninger og avansere mot et fullt ondartet fenotype. Som et paradigme ble carcinogenesis av kolorektal cancer i betraktning. Så, de første mutasjoner introdusert i nettverket var APC delesjons- og TCF interaksjoner med sine mål forsterket med en faktor. Disse mutasjonene fører til en strukturell ustabilitet i nettverket «fase portrett». Nå er det attraktorer, apoptotiske, proliferatives og stillestående, som tiltrekker, og testet første statene, henholdsvis. Antallet proliferative attraktorer og størrelser av sine bassenger økt på bekostning av den rolige attraktorer. Men ingen anti-apoptotiske fordel ble observert. Som forventet, nettverket responsen var miljøavhengig. Under normoxia og næringsstoffer, disse mutasjonene fører til en proliferativ fenotype. Men dette proliferativ fordel tapt etter hypoksi eller gentoksisitet (DNA skade), når apoptotiske fenotyper er observert
Neste i sekvensen, en ny mutasjon -. Ras konstitutivt aktivert – ble gjennomført. Som et resultat av nettverksdynamikk oppviser tiltrekkere, apoptotisk, proliferatives, og hvilende, som tiltrekker i det vesentlige de samme fraksjoner av testede initialtilstander (og, henholdsvis) som før (APC og TCF mutert). Men denne ekstra mutasjon dratt til nettverket en liten sjanse til å overvinne hypoksisk barriere, opprettholde hvilende fenotyper for over testede innledende tilstander under en hypoksisk, men næringsrikt miljø. Videre konstituerende Ras aktivisering også kan føre til en proliferativ fenotype av innledende stater i en normoksiske, næringsrikt, men gentoksisk miljø.
I sekvensen, Smad4 ble slettet. Denne mutasjonen øker til antall attraktorer, apoptotiske, proliferative, og stillestående. Nettverket kjøper proliferative fenotyper for alle første statene i normoxia og tilstrekkelig tilførsel av næringsstoffer, selv mottar hemmende vekst signale levert av en konstitutivt aktiv TGF. Det er verdt å nevne at nettverket viser bare apoptotiske og hvil attraktorer hvis TGF er konstitutivt aktiv og Smad4 er funksjonell (slettet). Så, Smad4 sletting i akkumulering med tidligere mutasjoner endows forvandlet nettverk med kapasitet til å unngå undertrykkende vekstsignaler.
De neste mutasjoner var PTEN sletting og dobling av Akt interaksjons styrker. Som følge herav antall attractors ytterligere økning til, apoptotisk, proliferativ, og hvile, som tiltrekker, og over testede initialtilstander, respektivt. Igjen, ulike microenvironments lokke fram tydelige svar. Under normoxia og tilstrekkelig næringstilførsel nettverket alltid vise aggressiv (proliferativ, glycolitic og udødelig) fenotyper. Men hvis hypoksi erstatter normoxia, i tillegg til proliferativ, glycolitic og udødeliggjorte fenotyper som tiltrekker av de opprinnelige tilstander, er det hvilende tiltrekkere mot hvilken innledende tilstander møtes. Legge vekstdempere eller DNA skader på tidligere mikromiljøet kan maksimalt føre til quiescence. For eksempel, i normoksiske, næringsrike og gentoksisk mikromiljøet, fra innledende stater er kjørt til proliferativ, glycolytic og udødelig attraktorer, mens av dem er kjørt til hvilende attraktorer. Derfor, siden hypoksi eller funksjonelle DNA skade sensorer kan føre til hvilende fenotyper, vedvarer noen begrensninger svekke tumorvekst.
Den siste mutasjonen var p53 sletting. Dens resultat er reduksjon av antallet attractors, apoptotiske og proliferative, begge tiltrekker av de opprinnelige tilstander. Faktisk, apoptose for av de innledende tilstander er minimumsverdien mulig fordi i nettverket aktiv TNF fører til p53-uavhengig aktivering av kaspaser. Likevel er det viktigste resultatet at nettverket alltid viser proliferativ, glykolytiske og udødelig fenotyper i microenvironments med tilstrekkelig tilførsel av næringsstoffer, hypoksisk eller normoksiske, selv gentoksisk, som aktiverer DNA-skader sensorer, og under vekst suppressor signalering. Nesten alle hindringer for tumorvekst ble overvunnet etter denne sekvens av noen mutasjoner.
I sammendrag, som vist i figur 4, våre simuleringer viser at hver driver mutasjon i kanonisk ruten for kolorektal kreft [22] bidrar til øke enten den proliferative kapasitet eller motstand mot apoptose av den transformerte cellen. Spesielt selv Smad4 er mutert i bare av kolorektal kreft, sin mutasjon i samspill med de andre i den klassiske kolorektal kreftutvikling modellen genererer mer aggressive kreftceller. Faktisk, med tilhørende proliferative fenotyper tiltrekke av de opprinnelige tilstander mot bare i fravær av Smad4 mutasjonen. Videre viser modellen at andre mutasjoner utenfor denne klassiske ruten for kolorektal kreftutvikling fører også til proliferativ og apoptotiske resistente fenotyper. Dette er tilfeller, for eksempel, av PTEN, eller p53, eller atm, eller Fadd, eller Chk delesjoner etter APC og Ras mutasjoner. Alternativt kan konstitutiv aktivering av PI3K, eller Akt, eller BCL2, eller MDM2 igjen etter APC og Ras mutasjoner reduserer apoptose og øker spredning.
brøkdel av de første landene utvikler seg til apoptotiske, proliferative eller hvilende attractors (fenotyper) for alle miljøforhold etter sekvensiell oppbygging av hver driver mutasjon i kolorektal kreft.
utfallet av målrettet terapi
Bakgrunnen for målrettet terapi er hemme kritiske, funksjonelle noder i onkogene nettverk å lokke fram opphør av tumorigent staten gjennom apoptose, nekrose, senescence, eller differensiering [23]. Vi utførte en undersøkelse av noder i vår boolsk modell som hemming eller aktivering (gjeninnføring av vill-type proteiner) enten øke bassenger av tiltrekning av apoptotiske og hvilende fenotyper eller redusere de som er forbundet til proliferativ fenotyper. Nærmere bestemt, som en modell for fullt utviklede kolorektal kreft celler, et nettverk som bærer mutasjoner i APC, Ras, Smad4, PTEN, og p53, ble vurdert. For dette nettverket, ble bare to fenotyper observert under alle microenvironmental forhold og fra alle opprinnelige tilstand testet: apoptotisk () og proliferativ (). Alle noder ble individuelt målrettet. Våre simuleringer viser at inhiberingen av Pdk1, Akt, E2F, Cykliner D og E, og MDM2 forbedrer hvilende fenotyper (for Pdk1 og Akt, og for E2F, cykliner og MDM2) og også svekke de proliferative de (for Pdk1 og Akt, og for E2F, cykliner og MDM2). Det samme er observert med aktivering av p53, Rb, Cdh1, p21, p27, og Smad4 (quiescence øker til og spredning forsvinner for p53, Rb, Cdh1, p21 og p27, mens for Smad4 begge fraksjoner endringer i). I sin tur, aktivering av FADD og Kaspaser forbedrer apoptose til sjanse. Paradoksalt nok, spår den modellen som enten hemming eller aktivering av Cykliner A og B samt Cdc20 forbedrer quiescence og svekke spredning (og, henholdsvis).
Når det gjelder kombinatorisk bruk av narkotika for tiden under klinisk utprøving [23], effektene av flere målrettede hemmere vårt tykktarmskreft cellemodell ble undersøkt under tre miljøforhold, nemlig normoxia og tilstrekkelig næringstilgang, hypoksi og tilstrekkelig næringstilgang, og normoxia, tilstrekkelig næringstilgang og kreftfremkallende stress. For disse forholdene våre kolorektal kreft celle modellen er alltid tiltrukket av en proliferativ, udødeliggjort og glycolytic fenotype. Ifølge våre simuleringer kombinert bruk av mTOR og hTert hemmere reverserer to ondartede kjennetegn: glykolyse og immortalization; foreningen av mTOR og CDK-hemmere hindrer glykolyse og celle sykling; og kombinasjonen av CDK og hTert inhibitorer forhindrer spredning og immortalisering. Så, siden i vår modell monoterapi med mTOR, CDK, og hTert hemmere hindrer glykolyse, celledeling, og immortalization, henholdsvis, synes det terapeutiske utfallet å være additiv eller «lineær» (i. E., Adlyder en superposisjon prinsippet). I sin tur, foreningen av p53 reactivators og BCL-2 /BCL-XL-hemmere fører til cellesyklus arrest etter hypoksi og tilstrekkelig næringstilgang eller normoxia, tilstrekkelig næringstilgang og kreftfremkallende stress, men har ingen effekt under normoksiske og næringsrike microenvironments. En annen forening som involverer p53 reactivators og VEGF-hemmere blokkerer celle sykling i de innledende statene testet i disse tre miljøforhold. I vår modell, er virkningen av VEGF-hemmere simulert ved å tvinge hypoksi og næringsmangel på inngangsnoder.
Til slutt, vi testet mono- og to narkotika terapi ved hjelp av mTOR, VEGF, Ras og PKC hemmere i celler på forskjellige stadier av malignitet. Igjen ble vår tykktarmskreft cellemodell vurderes.
