МЕРЕЖЕВА ОСНОВА ФУНКЦІОНУВАННЯ БІОЛОГІЧНИХ ОСЦИЛЯТОРІВ — ТРИГЕРІВ КОЛИВАЛЬНИХ ЛАНЦЮГІВ У КЛІТИНАХ І БЕЗКЛІТИННИХ СИСТЕМАХ. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД

O. P. Mintser; V. M. Zaliskyi; L. Yu. Babintseva

doi:10.11603/mie.1996-1960.2019.1.10110

Автор(и)

O. P. Mintser Національна медична академія післядипломної освіти імені П. Л. Шупика https://orcid.org/0000-0002-7224-4886
V. M. Zaliskyi Національна медична академія післядипломної освіти імені П. Л. Шупика
L. Yu. Babintseva Національна медична академія післядипломної освіти імені П. Л. Шупика

DOI:

https://doi.org/10.11603/mie.1996-1960.2019.1.10110

Ключові слова:

біологічні осцилятори, складні мережі, системна біологія, синтетична біологія, фундаментальні механізми, тригери

Анотація

В аналітичному дослідженні розглядаються експериментальні та теоретичні дослідження в області кількісного системного аналізу ролі біологічних осциляторів — тригерів коливальних ланцюгів у клітинах і безклітинних системах. Біологічні осцилятори управляють сплесками активності нейронів, клітинними циклами, патернами сну та пробудження, а також багатьма іншими важливими процесами в живих системах. Передбачається, що кількісні дослідження функціонування біологічних осциляторів допоможуть в попередженні та лікуванні багатьох захворювань людини. За останні десятиліття розвиток методів в області системної і синтетичної біології дозволив намітити шляхи до розшифровки фундаментальних механізмів, що лежать в основі функціонування цих осциляторів. Показано, що істотне значення в подальшому визначенні механізмів функціонування біологічних осциляторів набуває системна та синтетична біологія. Хоча в дослідженнях із функціонування біологічних осциляторів і був досягнутий певний прогрес щодо виявлення особливостей роботи природних і штучних осциляторів, котрі підвищують надійність і якість управління ритмами біологічних реакцій, проте роль багатьох інших другорядних модифікацій залишається маловивченою. Для її розуміння необхідні подальші як теоретичні так і експериментальні дослідження. Вкрай важливою в просуванні системної та синтетичної біології стає роль розвитку інструментів і методів біоінформатики, а вже усталені кількісні підходи системної та синтетичної біології в трансдисциплінарному підході із залученням сучасних методик інших областей знань.

Посилання

Andronov, A. A., Witt, A. A., Khaikin, S. E. (1981). Teoriya kolebaniy [Theory of Oscillations]. Moscow: Science. [In Russian].

Bayramov, Sh. K. (2005). Novyie matematicheskie modeli biohimicheskih ostsillyatorov [New mathematical models of biochemical oscillators]. Biohimiya (Biochemistry). 70; 12, 1673-1681. [In Russian].

Klinshov, V. V., Nekorkin, V. N. (2013). Sinhronizatsiya avtokolebatelnyih setey s zapazdyivayuschimi svyazyami [Synchronization of self-oscillatory networks with retarded connections]. Uspehi fizicheskih nauk (Uspekhi Fiz. Nauk), 183; 12, 1323-1336. [In Russian].

Lavrova, A. I. (2018). Metod dominantnogo parametra v modelirovanii i analiza dinamiki biologicheskih ostsillyatorov, 03.01.02 Biofizika, Avtoref. na soiskanie uch. st. Dok. fiz.-mat. nauk [The method of the dominant parameter in modeling and analysis of the dynamics of biological oscillators, 03.01.02 Biophysics, Author. for the Degree of the Doctor of Phys.-Mat. Sciences]. St. Petersburg. [In Russian].

Patrushev, Ye. M., Nozdryuhin, I. S. (2015). Ispolzovanie avtokolebatelnyih sistem s haoticheskoy dinamikoy v sistemah peredachi i obrabotki slabyih izmeritelnyih signalov na fone preobladayuschih pomeh [Use of auto-oscillatory systems with chaotic dynamics in the systems for transmitting and processing weak measuring signals against the background of prevailing interference]. Polzunovskiy almanah (Polzunovsky almanac), 1, 142143. [In Russian].

Chernysheva, M. P. (2016). Vremennaya struktura biosistem i biologicheskoe vremya [Time structure of biosystems and biological time]. St. Petersburg: SUPER. [In Russian].

Anati, R. C., Lee, Y., Sato, T. K. et al. (2014). Machine learning helps identify CHRONO as a circadian clock component. PLoS Biol., 12, e1001840.

Ainsworth, M., Lee, S, Cunningham, M. O. et al. (2012). Rates and rhythms: a synergistic view of frequency and temporal coding in neural network. Neuron, 75, 572-583. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2012.08.004

Atkinson, M. R., Savage, M. A., Myers, J. T. et al. (2003). Development of genetic circuit exhibiting toggle switch or oscillatory behavior in E.coli. Cell, 113, 597-607. DOI: https://doi.org/10.1016/S0092-8674(03)00346-5

Antioch, M. P., Song, E. J., Chang, A. M. et al. (1997). Functional identification of the mouse circadian clock gene by transgenic BAC rescue. Cell, 89, 655-667. DOI: https://doi.org/10.1016/S0092-8674(00)80246-9

Barkai, N., Leibler, S. (2000). Circadian clocks limited by noise. Nature, 403, 267-268. DOI: https://doi.org/10.1038/35002258

Batchelor, E., Lower, A., Mock, C. et al. (2011). Stimulus-dependent dynamics of p53 in single cells. Mol. Syst. Biol., 7, 488. DOI: https://doi.org/10.1038/msb.2011.20

Bell - Pedersen, D., Cassone, V. M., Earnest, D. J. et al. (2005). Circadian rhythms from multiple oscillators: lessons from diverse organisms. Nat. Rew. Genet., 6, 544-556. DOI: https://doi.org/10.1038/nrg1633

Brown, H., Difrancesco, D., Noble, S. (1979). Cardiac pacemaker oscillations and its modulation by autonomic transmitters. J. Exp. Biol., 81, 175-204. DOI: https://doi.org/10.1242/jeb.81.1.175

Cai, L., Dalal, C. K., Elowitz, M. B. (2008). Frequency - modulated nuclear loealirafion bursts coordinate gene regulation. BMC syst. Biol., 2, 75.

Cashera, F., Bedau, M. A., Buchanan, A. et al. (2011). Coping with complexity: machine learning optimization of cell-free protein synthesis. Biotechnol. Bioeng., 108, 2218-2228. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.23178

Castillo - Hair, S. M., Villota, E. R., Coronado, A. M. (2015). Design principles for robust oscillatory behavior. Syst. Synth. Biol., 9, 125-133. DOI: https://doi.org/10.1007/s11693-015-9178-6

Chen, A. H., Lobkowicz, D., Young, V. et al. (2015). Transplant ability of circadian clock to a non corcadion organism. Sci. Adv., 1, e1500358.

Chance, B., Hess, B., Betz, A. (1964). DPNH oscillations in a cell-free extract of S. carlsbergensis. Biochem. Biophis. Res. Commun., 16, 182-187. DOI: https://doi.org/10.1016/0006-291X(64)90358-4

Chang, J. B., Ferrell, J. B. (2013). Mitotic trigger waves and the spatial coordination of the Xenopus cell cycle. Nature, 500, 603-607. DOI: https://doi.org/10.1038/nature12321

Crosthwaite, S. K., Dunlap, J. C., Loros, J. J. (1997). Neurospora wc-1 and wc-2 transcription, photo response and origins of circadian rhythmicity. Science, 276, 763-769. DOI: https://doi.org/10.1126/science.276.5313.763

Danino, T., Mondragon - Palomino, O., Tsimring, L., Hasty, J. A. (2010). A synchronized quorum of genetic clocks. Nature, 463, 326-330. DOI: https://doi.org/10.1038/nature08753

Dart, A. (2016). Tumor genesis: cancer goes tick tock. Nat. Rev. Cancer., 16, 409.

Dies, M., Galera-Laporta, L., Garcia-Ojalvo, J. (2016). Mutual regulation causes co - evhainment between a synthetic oscillatory and the bacterial cell cycle. Integr. Biol., 8, 533-541. DOI: https://doi.org/10.1039/c5ib00262a

Feillet, C., van der Horst, G. T., Levi, F. et al. (2015). Coupling between the circadian clock and cell cycle

oscillators: implication for healthy cells and malignant growth. Front Neural, 6, 96.

Ferrell. J. E., Tsai, T. Y., Yang, Q. (2011). Modeling the cell cycle: who do certain circuit oscillate? Cell, 144, 874-885. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.03.006

Fitz Hugh R. (1961). Impulses and physiological states in theoretical models of nerve membrane. Biophys J., 1, 445-466. DOI: https://doi.org/10.1016/S0006-3495(61)86902-6

Flowitz, M. B., Leibler, S. (2000). A synthetic oscillatory network транспирационных регуляторов. Nature, 403, 335-338. DOI: https://doi.org/10.1038/35002125

Forster, A. C., Church, G. M. (2007). Synthetic biology projects in vitro. Genome Res., 17, 1-6. DOI: https://doi.org/10.1101/gr.5776007

Friesen, W. O., Block, G. M. (1984). What is a biological oscillator? Am. J. Physiol., 246, R847-R853.

Fung, E., Wong, W. W., Suen, J. K. et al. (2005). A synthetic gene-metabolic oscillator. Nature, 435, 118-122. DOI: https://doi.org/10.1038/nature03508

Fujii, T., Rondelez, Y. (2013). predator-prey molecular ecosystems. ACS Nano, 7, 27-34. DOI: https://doi.org/10.1021/nn3043572

Gallego, M., Virshup, D. M. (2007). Post-translational modifications regulate the trebling of the circadian clock. Net. Rev. Mol. Cell. Biol., 8, 139-148. DOI: https://doi.org/10.1038/nrm2106

Helen, L., Anderson, G. A., Ferrell, J. E. (2014). Spatial trigger waves: positive feedback gets you a long way. Mol. Biol. Cell., 25, 3486-3493. DOI: https://doi.org/10.1091/mbc.e14-08-1306

Gerisch, G. (1968). Cell aggregation and differentiation in dictyostelium. Curr. Top. Dev. Biol., 3, 157-197. DOI: https://doi.org/10.1016/S0070-2153(08)60354-3

Gerisch, G., Fromm, H., Huesgen, A. et al. (1975). Control of cell-contact sites by cyclic AMP pulses in ditterentiatiny dictyostelium cells. Natuure, 255, 547-549. DOI: https://doi.org/10.1038/255547a0

Ghosh, A., Chance, B. (1964). Oscillations of glycolytic intermediates in yeast cells. Biochem. Biophys. Res. Commun., 16, 174-181. DOI: https://doi.org/10.1016/0006-291X(64)90357-2

Glass, L. (2001). Synchronization and rhythmic processes in physiology. Nature, 410, 277-284. DOI: https://doi.org/10.1038/35065745

Goldbeter, A. (Eds). (2007). Special Volume in Memory of illya Prigogine: Advances in Chemical Chysics. New York: John Wiley Sons Inc. (Biological rhythms as Temporal Dissipative Strueture).

Goodwin, B. C. (Ed) (1963). A dynamic theory of cellular control processes. New York: Academic Press.

Guantes, R., Poyatos, J. F. (2006). Dynamical principles of two-component genetic oscillators. PLOS Computational Biology, 2, E30. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.0020030

Hasatanik, K., Leocmach, M., Genot, A. J. et al. (2013). High-throughput and long-term observation of comport - winterized biochemical oscillators. Chem. Commun. (Cambrig), 49, 8090-8092. DOI: https://doi.org/10.1039/c3cc44323j

Hemblen, M. J., White, N. E., Emery, P. T. J. et al. (1998). Molecular and behavioral analysis of four period mutants in drosophila melanogaster encompassing extreme short, hovel long, and unorthodox arrhythmic types. Genetics, 149, 165-178. DOI: https://doi.org/10.1093/genetics/149.1.165

Higgins, J. (1964). Alchemical mechanism for oscillation of glycolytic intermediates in yeast cells. Proc. Natl. Acad. Sci USA, 51, 989-994. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.51.6.989

Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. (1952). Current carried by sodium and potassium is Heroogli the membrane of the giant axon of Loligo. J. Physiol., 116, 449-472. DOI: https://doi.org/10.1113/jphysiol.1952.sp004717

Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. (1952). A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol., 117, 500-544. DOI: https://doi.org/10.1113/jphysiol.1952.sp004764

Hussain, F., Gupta, C., Hiening, A. J. et al. (2014). Engineering temperature compensation in a synthetic genetic clock. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111, 972-977. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1316298111

Isomura, A., Kageyama, R. (2014). Ultradian oscillations and pulses: coordinating cellular responses and cell fate decisions. Development, 141, 3627-3636. DOI: https://doi.org/10.1242/dev.104497

Kim, J., White, K. S., Winfree, E. (2016). Construction of an in vitro bitable circuit from synthetic transcriptional switches. Mal. Syst. Biol., 2, 68.

Li, Z., Yang, Q. (2018). Systems and synthetic biology approaches in undestaudiny biological oscillators. Quant Biol., 6 (1), 1-14.

Liang, J., Luo, Y., Zhao, H. (2011). Synthetic biology: putting synthesis into biology wiley interdiscip. Rev. Syst. Biol. Med., 3 (1), 7-20.

Liu, Y., Tsinoremas, N. F., Johuson, C. H. et al. (1995). Circadian orchestration of gene expression in cyanobacteria. Genens Dev., 9, 1469-1478. DOI: https://doi.org/10.1101/gad.9.12.1469

Liu, N., Prioris, G. (2008). Disruption of calcium homeostasis and arrhythmogenesis induced by mutations in the cardiac ryanodine receptor and calsequestrin. Cardiovasc. Res., 77, 293-301. DOI: https://doi.org/10.1093/cvr/cvm004

Lohka, M. J., Hayes, M. K., Maller, J. L. (1988). Purification of maturation-promoting factor, an in fraccllalar regulator of early mitotic events. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 3009-3013. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.85.9.3009

Mara, A., Holley, S. A. (2007). Oscillators and the emergence of tissue organization during rebrabish gametogenesis. Trends Cell Biol., 17, 593-599. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tcb.2007.09.005

Millins, A., Ueda, H. R. (2017). System biology - derived discoveries of intrinsic clocks. Front Neurol., 8, 25.

Millar, A. J., Kay, S. A. (1997). The genetics of photo transduction and circadian rhythms in Arabinopsis. Bio Assays., 19, 209-214.

Mondragon - Palomino, U., Danino, I., Selimkhanov, J. et al. (2011). Entrainment of a population of synthetic genetic oscillators. Science, 333, 1315-1319. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1205369

Mukherji, S.van oudenaarden A. (2009). Synthetic biology: understanding biological desigual from synthetic circuits. Nat. Rev. Genet., 10, 859-871. DOI: https://doi.org/10.1038/nrg2697

Nakajima, M., Imai, K., Ito, H. et al. (2005). Reconstruction of circadian of cyanobacteria Kai C. Science, 308, 414-415. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1108451

Nelson, D. E., Ihekwaba, A. E., Elliott, M. et al. (2004). Oscillations in NI-kb signally control the dynamics of gene expression. Science, 306, 704-708. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1099962

Noman, N., Monjo, T., Moscato, P. et.al. (2015). Evolving robust gene regulatory networks. PLOS One, 10, e0116258. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0116258

Novak, B., Tpson, J. J. (2008). Design principles of biochemical oscillators. Nat. Mol. Cell Biol., 9, 981-991. DOI: https://doi.org/10.1038/nrm2530

Oates, A. C., Morelli, L. G., Ares, S. (2002). Patterning embryos with oscillations: structure, function and dynamics of the vertebrate segmentation clock. Development, 139, 625-639. DOI: https://doi.org/10.1242/dev.063735

Olsen, O. F., Design, H. (1978). Oscillatory kinetics of the peroxidase- oxidase reactions in an open system. Biochim. Biophys. Acta., 523, 321-334. DOI: https://doi.org/10.1016/0005-2744(78)90035-9

O'Neill, J. S., Feeney, K. A. (2014). Circadian redox and metabolic oscillation in mammalian system. Autacoid Redox Signal, 20 (18), 2966-2981. DOI: https://doi.org/10.1089/ars.2013.5582

Pomerening, J. R., Sontad, E. D., Ferrell, J. E. (2003). Building a cell cycle oscillator: hysteresis and bistability in the activation of Cdc 2. Nat. Cell Biol., 5, 346-351. DOI: https://doi.org/10.1038/ncb954

Prigogine, I., Lefever, R., Goldbeter, A. et al. (1969). Symmetry breaking Instability in biological systems. Nature, 223, 913-916. DOI: https://doi.org/10.1038/223913a0

Prindle, A., Samayoa, P., Raznikov, I. et al. (2011). A sensing array of radically coupled genetic "bio pixels". Nature, 481, 39-44. DOI: https://doi.org/10.1038/nature10722

Purcell, O., Savery, N. J., Grierson, C. S. et al. (2019). A comparative analysis of synthetic genes oscillators. J. R. Soe. Interface, 7 (52), 1503-1524.

Pye, K., Chance, B. (1966). Sustained sinusoidal oscillations of reduced pyridine nucleotide in a cell-free extract of S. carlsbergensis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 55, 888-894. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.55.4.888

Rust, M. J., Markson, J. S., Lane, W. S. et al. (2007). Ordered phosphorylation governs oscillation of a three-protein circadian clock. Science, 318, 809-812. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1148596

Scott, S. R., Hasty, J. (2016). Quorum sensing communication modules for microbial consortia. ACS Synth. Biol., 5, 969-977. DOI: https://doi.org/10.1021/acssynbio.5b00286

Semenov, S. N., Kraft, L. J., Ainla, A. et al. (2016). Autocatalytic, bitable, oscillatory networks of biologically relevant organic reactions. Nature, 537, 656-660. DOI: https://doi.org/10.1038/nature19776

Sevim, V., Gong, X., Socolar, J. E. (2016). Reliability of transcriptional cycles and yeast cell-cycle oscillator. PLOS Comput. Biol., 6, e/000842.

Shitiri, E., Varlakos, A. V., Cho, H. S. (2018). Biological oscillators and Nano networks. Sensore, 18 (5), E1544.

Stricker, J., Cookson, S., Bennett, M. R. et al. (2008). A fast, robust and final synthetic gene oscillator. Nature, 456, 516-519. DOI: https://doi.org/10.1038/nature07389

Sudakin, V., Ganoth, D., Dahan, A. et al. (1995). The cyclostome, a large complex containing cyclic-selective ubiquitin ligase activity, targets cyclins for destruction at the end of mitosis. Mol. Biol. Cell., 6, 185-197. DOI: https://doi.org/10.1091/mbc.6.2.185

Tan, C., Sanrabh, S., Brucher, M. P. et al. (2013). Molecular crowding shapes gene expression in syntactic cellular nano systems. Nat. Nano-technol., 8, 602-608. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2013.132

Tigges, M., Marguer-Lago, T. T., Stelliny, J. et al. (2009). A tunable synthetic mammalian oscillator. Nature, 457, 309-312. DOI: https://doi.org/10.1038/nature07616

Tigges, M., Denervand, N., Graber, D. et al. (2010). A synthetic low-frequency mammalian oscillator. Nucleic Aeid. Res., 38, 2702-2711. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkq121

Toettcher, J. E., Mock, C., Batchelor, E. et al. (2010). A synthetic-natural hybrid oscillator in human cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 17047-17052. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1005615107

Tomida, T., Takekawa, M., Saito, H. (2015). Oscillation of p53 activity controls etticient pro-inflammatory gene expression. Nat. Commun., 6, 8350.

Trejo, Banos D., Millar, A. J., Sangninetti, G. A. (2015). Bayesian approach for structure learning in oscillating regulatory network. Bioinformatics, 31, 3617-3624. DOI: https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv414

Tsai, T. Y., Choi, Y. S., Ma, W. et al. (2000). Robust, tunable biological oscillations from interlinked possible and negative feedback loops. Science, 321, 126-129. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1156951

Tyson, J. J., Novak, B. (2010). Functional mobiles in biochemical reaction networks. Annu. Rev. Phys. Chem., 61, 219-240. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.012809.103457

Wang, L. S., Wu, F., Flores, K. et al. (2016). Build to understand: synthetic approaches to biology. Integr. Biol. (Camb)., 8 (4), 394-408. DOI: https://doi.org/10.1039/C5IB00252D

Wang, F., Fan, C. (2016). DNA reaction networks: providing a panoramic view. Nat. Chew., 8, 738740.

Yang, Q., Ferrell, J. E. (2013). The Cdk1- APC/C cell creel oscillator circuit functions as a time-delayed, ultrasensitive switch. Nat. Cell. Biol., 15, 519-525. DOI: https://doi.org/10.1038/ncb2737

Zambrano, S., De Toma, I., Pitter, A. et al. (2016). NF-kb oscillations translate into functionally related patterns of gene expression. Elife, Jan 14, 5, e09100.