Cellernas beteende bestäms inte av en enda molekyl, utan av många molekyler som interagerar starkt med varandra och bildar ett komplext nätverk. Det är oklart om cellulärt beteende kan styras genom att reglera vissa molekylära komponenter i nätverket. Genom att analysera en mängd olika biomolekylära regulatoriska nätverk upptäckte vi att endast en liten del av nätverkskomponenterna behöver regleras för att styra nätverksdynamiken och kontrollera cellbeteendet. Vi definierade en minimal uppsättning nätverkskomponenter som måste regleras för att cellen ska nå ett önskat stabilt tillstånd som kontrollkärna och utvecklade en allmän algoritm för att identifiera den. Vi fann att storleken på kontrollkärnan var relaterad till både de topologiska och logiska egenskaperna hos ett nätverk. Förvånansvärt nog omfattade kontrollkärnan i det mänskliga signalnätverket många läkemedelsmål och kemiska-bindande interaktioner, vilket tyder på terapeutisk tillämpning av kontrollkärnan. Ett cellulärt systems beteende är ett framträdande resultat av komplicerade interaktioner mellan molekyler som arbetar tillsammans på ett mycket organiserat sätt och bildar ett biomolekylärt regulatoriskt nätverk där molekyler representeras av noder och interaktioner mellan molekyler betecknas av länkar (en hämmande länk eller en aktiverande länk, beroende på regleringstyp) [1] [2] [3]. Som ett resultat kan cellbeteende definieras dynamiskt endast av nätverkstillståndet som representerar alla molekylära tillstånd i nätverket kollektivt. Det cellulära beteendet eller fenotypen kan anses vara en högdimensionell attraherare av det biomolekylära regulatoriska nätverket, där en attraherare är ett matematiskt begrepp som representerar ett stabilt tillstånd som antas av ett dynamiskt system, vilket i detta fall är ett biomolekylärt regulatoriskt nätverk [4] [5] [6]. Baserat på begreppet attraherare, är ett biomolekylärt regulatoriskt nätverk kartlagt på en dragningskraft landskap, där varje punkt i landskapet representerar ett tillstånd av nätverket, definieras av en uppsättning statliga värden som innehåller aktivitetstillstånd för alla molekyler i nätverket 4. Även om ett tilldragande landskap av ett biomolekylärt regulatoriskt nätverk består av olika attraherare, cellulärt beteende når i huvudsak ett dominerande stabilt tillstånd som kallas den primära tilldragande [7] [8]. Området runt en attraherare kallas bassäng av attraktion och är den region av stater som leder till banor som konvergerar till attraheraren 4, 6. Frågan uppstår då om huruvida det cellulära beteendet kan kontrolleras med minimal ansträngning så att ett önskat cellulärt tillstånd uppnås oavsett det initiala tillståndet. När det gäller tilldragande landskap, denna kontroll motsvarar identifieringen av en minimal uppsättning noder så att regleringen (eller fastsättning) av dessa noder garanterar konvergensen av nätverket tillstånd till den önskade tilldragande, med bassängen av attraktion motsvarar hela statsrymden. Flera studier har undersökt kontrollen av komplexa nätverk, med fokus på den strukturella kontrollförmåga som krävs för att driva ett nätverk från ett initialtillstånd till ett önskat sluttillstånd på grundval av nätverksstrukturen utan att ta hänsyn till den inneboende ickelinjära dynamiken och detaljerade interaktionstyper, såsom aktiv eller hämmande reglering [9] [10] [11]. Liu m.fl. 9 rapporterade att det finns en uppsättning förarnoder som kan erbjuda full kontroll över nätverket baserat på nodaldynamik (dvs. att störa noderna). De fann också att förarnoder tenderar att undvika nav och att det totala antalet förarnoder beror på graden (antalet länkar anslutna till noden) distribution. Nepusz m.fl. 10 rapporterade kontrasterande resultat med avseende på både strukturella egenskaper och antalet förarnoder baserade på kantdynamik (dvs. att störa interaktionen mellan noderna, som kallas växeldynamiken (SBD)). Dessa strukturbaserade kontrollerbarhetsstudier har begränsningar när de tillämpas på biomolekylära regulatoriska nätverk eftersom de antog linjär dynamik och tidsvarierande kontroll av noder, som är orealistiska och ogenomförbara, om inte omöjliga, för biomolekylära regulatoriska nätverk. Dessutom har de olika regleringstyperna mellan molekyler, såsom aktivering eller hämning, inte behandlats inom ramen för dessa tidigare studier. I den nuvarande studien undersökte vi om cellulärt beteende kunde kontrolleras genom att reglera en minimal uppsättning noder i det underliggande biomolekylära regulatoriska nätverket, baserat på begreppet attraherarlandskap. Vi är här.
Heuristik såsom genetiska algoritmer REF har också föreslagits, men ger inga garantier för optimaliteten hos den valda uppsättningen eller om konvergens till en önskad attraherare garanteras från något initialtillstånd.
Discovery of a kernel for controlling biomolecular regulatory networks
{'venue': 'Scientific Reports', 'journal': 'Scientific Reports', 'mag_field_of_study': ['Biology', 'Medicine']}