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Humboldt-Universitaet zu Berlin - Collaborative Research Center for Theoretical Biology

Theoretische Untersuchungen zum Einfluss von variablen Enzymaktivitätsmustern auf die Robustheit und Effizienz von metabolischen Netzwerken

Die Anwendung von Hochdurchsatzmethoden der Biochemie/Molekularbiologie (z.B. Microarrays; 2-dimensionale Proteomics) ermöglicht die gleichzeitige Messung von Gen-, Protein- und Metabolitprofilen einer Zelle. Dadurch entstehen Momentaufnahmen des gesamten Zustandes der Zelle auf molekularem Niveau. Die gemessenen molekularen Zustandsvariablen (Konzentrationen von mRNA, Proteinen und Metabolite) werden durch chemische Reaktionen gebildet und abgebaut und zwischen den verschiedenen Kompartimenten der Zelle ausgetauscht. Daran sind Tausende von Enzymen und Transportproteinen beteiligt, deren Menge und kinetische Eigenschaften letztlich festlegen, wie viel von einer molekularen Variablen zu einem gegebenen Bedingungen (Temperatur, Nahrungsangebot, Anwendung von Hemmstoffen, Anwesenheit genetischer Defekte etc.) vorhanden ist. Dies mit mathematischen Methoden der Modellbildung vorherzusagen ist gegenwärtig die zentrale Herausforderung an die mathematische Systembiologie.

Genetische Studien mit Hefezellen haben ergeben, dass 75% der erzeugten Einzelgen-Mutanten lebensfähig sind. Dieser Befund suggeriert zunächst ein hohes Maß an genetischer Redundanz. Allerdings wurde diese bemerkenswerte Robustheit der Hefezelle gegenüber dem Verlust von Genen unter optimalen Inkubationsbedingungen beobachtet. Bei Verarmung des Nährmediums erwiesen sich viele der ursprünglich robusten Mutanten als nicht mehr lebensfähig. Diese Untersuchungen machen deutlich, dass die Bedeutung eines einzelnen Gens und der mit ihm gekoppelten chemischen Prozesses für das Funktionieren des gesamten zellulären Reaktionsnetzwerkes von den jeweiligen äußeren Bedingungen und den von der Zelle zu einem gegebenen Zeitpunkt zu erfüllenden Funktionen abhängig ist.

Für die mathematische Untersuchung zellulärer Reaktionsnetzwerke ergeben sich daraus folgende Fragen: (i) Wie kann die Robustheit eines zellulären Reaktionssytems gegenüber Enzym (= Gen)-Verlusten bei gleichzeitiger Variabilität der äußeren Bedingungen quantitativ erfasst werden? (ii) Kann aus experimentell ermittelten Genexpressionsprofilen der Funktionsstand des zugeordneten Reaktionsnetzwerkes abgeschätzt werden? (iii) Lassen sich Enzymaktivitätsmuster bzw. Genexpressionsprofile theoretisch vorhersagen, mit denen die Leistungen eines gegebenen Reaktionsnetzwerkes optimal (im Sinne einer zu definierenden Zielfunktion) erfüllt werden? (iv) Ergeben die verschiedenen Aktivitätszustände eines zellulären Reaktionsnetzwerkes eine modulare Architektur, indem Gruppen von Reaktionen, die möglicherweise sogar verschiedenen traditionell definierten Reaktionswegen („Stoffwechselwegen“, „Signalwegen“) angehören, gemeinsam entweder aktiv oder inaktiv vorliegen. Die Beantwortung dieser Fragen dient einerseits dem vertieften Verständnis der Modularität und Robustheit von zellulären Reaktionsnetzwerken und ist anderseits von potentieller Bedeutung für medizinische und pharmakologische Anwendungen wie z.B. die Abschätzung der Auswirkung von genetisch bedingten Enzymdefekten oder die Identifizierung optimaler Angriffspunkte für pharmakologische Hemmstoffe oder Aktivatoren von Enzymen.

Die genannten Fragen sollen mit Methoden der strukturellen mathematischen Modellierung beantwortet werden, für deren Anwendung die Kenntnis der Stöchiometrie (=Verknüpfung der Reaktionen mit den Zustandsvariablen) des zellulären Reaktionsnetzwerkes ausreicht. Dies ermöglicht die Anwendung der theoretischen Untersuchungen auf große, mehrere Stoffwechselwege umfassende Netzwerke, für die eine kinetische Modellierung wegen fehlender experimenteller Information gegenwärtig nicht möglich ist. Für diese strukturbasierte Modellierung sollen mathematische Ansätze aus vorangegangenen Arbeiten des Antragstellers benutzt bzw. weiterentwickelt werden.

Die erfolgreiche Bearbeitung des Themas setzt eine genaue Kenntnis der Biochemie des untersuchten Netzwerkes voraus. Die theoretischen Untersuchungen sollen perspektivisch auf den Zwischenstoffwechsel von Leberzellen (Hepatozyten) angwendet werden. Zu den beteiligten Enzymen, der subzellulären Kompartimentierung von Reaktionen und den zentralen Stoffwechselleistungen von Hepatozyten gibt es ein umfangreiches Schrifttum, so dass die Ergebnisse der Modellrechnungen mit einer Vielzahl von experimentellen und klinischen Literaturbefunden verglichen werden können. Darüber hinaus ist eine enge Zusammenarbeit mit der Abteilung von Prof. Gerlach (Charité, Campus Virchow) vorgesehen, um das theoretisch vorhergesagte Input-Output-Verhalten der untersuchten Hepatozytennetzwerke durch Messung der entsprechenden Umsatzraten in dem dort entwickelten 3D-Leberzellbioreaktor zu überprüfen.

Beschreibung der aktuellen Periode