Detektion und Analyse synergistischer Einflüsse multipler Stimuli auf zelluläre Signaltransduktionsnetzwerke in Säugetieren

Abstract

Verschiedene simultan wirkende Signale beeinflussen die Signalverarbeitung und die Genregulation von Säugetieren auf der systemischen Ebene. Die Signale müssen integriert und in ihrem jeweiligen Zusammenhang bewertet werden. Dabei können die Signale auch synergistisch miteinander interagieren, wobei dann einzig durch dieses Zusammenspiel auf genregulatorischer Ebene neue Funktionen induziert werden. Gängige experimentelle Ansätze zur Detektion von synergistischen Interaktionen erkennen zwar die beeinflussten Gene, aber die zugrunde liegenden Mechanismen bleiben unklar. In dieser Arbeit wurde deshalb ein globales systembiologisches Verfahren entwickelt, welches Synergien anhand ihrer generellen topologischen Eigenschaften in einem bipartiten Graphen detektiert. Das für die Analyse notwendige globale bipartite und mechanistische Signaltransduktionsreferenznetzwerk wurde auf der Basis experimentell verifizierter Daten aus verschiedenen Datenbanken sowie aktueller Literatur in dieser Arbeit rekonstruiert.

Synergien sind besonders im Immunsystem relevant, wo verschiedene Signale parallel eine Immunreaktion auslösen. Eine adäquate Antwort kann dabei nur durch eine gleichzeitige und präzise regulierte Bewertung der wirkenden Signale ermöglicht werden. Das entwickelte Verfahren wurde auf die, für die Immunantwort essentiellen, Immunsignale Interleukin-3 (IL-3) und humanes Influenza Virus (Flu) in menschlichen plasmacytoiden dendritischen Zellen, einem Immunzelltyp, angewandt.

Um synergistische Effekte während der Signalintegration zu untersuchen wurde das Referenznetzwerk auf die säugerspezifischen, in pDC präsenten und durch IL-3 und Flu aktivierten Signalpfade eingeschränkt. Es wurden unter anderem die synergistischen Interaktionspunkte detektiert, ihre regulierten Transkriptionsfaktoren sowie die durch sie regulierten Zielgene. Durch den Vergleich der ausgelösten Funktionen und der jeweils induzierten Signalwege konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Verfahren die immunrelevanten synergistisch regulierten Gene besser detektiert als ein vergleichbares experimentelles Verfahren.