Acoplamientos no-lineales entre metabolismo y regulación transcripcional: Un enfoque de termodinámica irreversible Dr. Enrique Hernández Lemus

Congreso Mexicano de Ciencias de la Complejidad www.inmegen.gob.mx Instituto Nacional de Medicina Genómica

Motivación •  Las

variaciones energéticas juegan un papel no trivial en el inicio y desarrollo del cáncer. Es sabido que existen algunas transformaciones metabólicas que permiten el desarrollo y supervivencia de neoplasias, lo que sugiere un papel para las rutas metabólicas como blancos farmacológicos. •  Es entonces relevante estudiar las relaciones existentes entre las variaciones metabólicas y la tumorigénesis y la difusión y diseminación tumoral. En particular estudiaremos la relación entre la des-regulación de ciertos factores de transcripción y la actividad metabólica anómala en el caso particular de cáncer primario de mama. Instituto Nacional de Medicina Genómica

Motivación En breve, se cree que alteraciones serias en el metabolismo resultarán en regulación transcripcional anómala y en disparos de cascadas transcripcionales que afectan la integridad del ciclo celular lo que puede resultar en el posible desarrollo del cáncer. •  Para esto investigaremos las cuestiones energéticas y de conectividad de las funciones de genes relacionados a transcripción genéticas y a metabolismo, tanto en c é l u l a s n o r m a l e s c o m o n e o p l á s i c a s e n 11 9 1 microarreglos de expresión de genoma completo, correspondientes a varios experimentos independientes disponibles públicamente y a un conjunto de datos provenientes de experimentos en el proyecto de cáncer de mama que actualmente se desarrolla en el INMEGEN • 

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Enfoques de investigación para sistemas complejos El análisis de sistemas complejos, en particular los biológicos, requiere de la combinación de una serie diversa de enfoques y técnicas de análisis. Entre los enfoques más comunes en ciencia están los modelos guiados por hipótesis (Hypothesis-Driven Models = HDMs) y los modelos guiados por datos (Data-Driven Models = DDMs). Los primeros han constituido por décadas el modelo de investigación tanto en biología como en física y química; los segundos están cobrando cada vez más auge, en particular debido a las tecnologías de generación masiva de datos (high throughput) tanto en física de altas energías como en genómica y proteómica, etc.

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Enfoques de investigación para sistemas complejos En este trabajo hicimos uso tanto de HDMs como de DDMs combinándolos para analizar de manera más apropiada los acoplamientos complejos entre metabolismo y regulación genética.

Minería de Datos Modelos guiados por Datos Inferencia Probabilística

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Enfoques de investigación para sistemas complejos En este trabajo hicimos uso tanto de HDMs como de DDMs combinándolos para analizar de manera más apropiada los acoplamientos complejos entre metabolismo y regulación genética.

Termodinámica Irreversible Extendida

Modelos guiados por Hipótesis Mecanismos de regulación conocidos

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Enfoques de investigación para sistemas complejos Termodinámica Irreversible Extendida

Experimentos de Expresión de Genoma Completo

Genes con Niveles de Expresión Diferencial

Pathways

Factores de Transcripción

Minería de Datos

Actividad Metabólica

Redes de regulación Genética

Rutas metabólicas

Interacción proteinas

Modelo para el acoplamiento Metabolismo/transcripción

Pruebas experimentales

Simulación

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Modelo probado para el Acoplamiento Metabolismo/Transcripción

Enfoques de investigación para sistemas complejos Termodinámica Irreversible Extendida

DDM

Experimentos de Expresión de Genoma Completo

HDM

DDM

Genes con Niveles de Expresión Diferencial

DDM

HDM Pathways

HDM

Factores de Transcripción

Minería de Datos

Actividad Metabólica

HDM Modelo para el acoplamiento Metabolismo/transcripción

HDM

Redes de regulación Genética

DDM

DDMRutas metabólicas

HDM Pruebas experimentales

HDM Simulación Instituto Nacional de Medicina Genómica

Interacción proteinas

DDM

Modelo probado para el Acoplamiento Metabolismo/Transcripción

Regulación Transcripcional (Mecanismo General )

La transcripción de un gen por la enzima RNA-polimerasa II (RNApol II) puede ser regulada o controlada por al menos cinco diferentes mecanismos bioquímicos, en cada uno participan muchas clases de proteínas y moléculas de RNA. Instituto Nacional de Medicina Genómica

RegulaciónTranscripcional (Un caso específico)

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RegulaciónTranscripcional (Un caso específico)

Utilizaremos un modelo de tipo Caja Negra Instituto Nacional de Medicina Genómica

GEA experimentos

Hernández-Lemus, E., Jou. Non-Eq.Thermodyn. 34,4, 371-394, (2009) Instituto Nacional de Medicina Genómica

Termodinámica de los DNA Chips

Hernández-Lemus, E., Jou. Non-Eq.Thermodyn. 34,4, 371-394, (2009) Instituto Nacional de Medicina Genómica

Fuerzas y flujos generalizados Los flujos y fuerzas extendidos se han elegido como un sistema acoplado de ecuaciones lineales con memoria

Hernández-Lemus, E., Jou. Non-Eq.Thermodyn. 34,4, 371-394, (2009) Instituto Nacional de Medicina Genómica

Potenciales químicos Sustituyendo los flujos y fuerzas generalizados en términos de los potenciales químicos obtenemos:

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Energía libre y Niveles de expresión Dado que las mediciones se hacen en términos de los niveles de expresión y no de las concentraciones de mRNA:

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Parámetros termodinámicos

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Cálculos termodinámicos

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Niveles de expresión experimentales

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Perfiles dinámicos para la concentración de mRNA

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Afinidades transcripcionales

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Dinámica de los potenciales químicos

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Rutas moleculares y funcionales en la red inferida

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Red de interacción funcional Red de interacción centrada en los 4 genes bajo estudio

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Redes de interacción para cada gen

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Mecanismo de acoplamiento propuesto Unión a DNA *

MNDA Transcripción *

Actividad de Factores de Transcripción *

Unión a proteinas *

SMAD3

Regulación de la Transcripción *

Transcripción vía promotor de RNA pol II*

Vía de apoptosis *

POU2AF1

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Mecanismo de acoplamiento propuesto Unión a DNA *

MNDA

Transcripción vía promotor de RNA pol II*

Unión a proteinas * Actividad de Factores de Transcripción *

Transcripción *

SMAD3 Vía de apoptosis * Regulación de la Transcripción *

POU2AF1

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¿Qué sigue? •  Mediano-Largo

plazo •  Validar genes específicos (RT-PCR, etc.) •  Validar interacciones proteina-DNA •  Validar interacciones proteína-proteína •  Corto plazo • Modelo simplificado à Simulación numérica

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