Frequenzselektivität, Multistabilität und Oszillationen entstehen aus Modellen genetischer Regulationssysteme

Um die Fähigkeit genetischer Regulationssysteme für komplexe dynamische Aktivitäten zu untersuchen, entwickelten wir einfache kinetische Modelle, die bekannte Merkmale dieser Systeme einbeziehen. Dazu gehören die Autoregulation und die stimulusabhängige Phosphorylierung von Transkriptionsfaktoren (TFs), die Dimerisierung von TFs, Crosstalk und Feedback. Das einfachste Modell zeigte mehrere stabile Gleichgewichtszustände, und kurze Störungen konnten das Modell zwischen diesen Zuständen umschalten. Solche Übergänge könnten beispielsweise erklären, wie ein kurzer Impuls von Hormonen oder Neurotransmittern eine langanhaltende zelluläre Reaktion hervorrufen kann. In etwas komplexeren Modellen wurden oszillatorische Regime identifiziert. Die Hinzufügung von Wettbewerb zwischen aktivierenden und hemmenden TFs lieferte eine plausible Erklärung für optimale Stimulusfrequenzen, die eine maximale Transkription ermöglichen. Solche optimalen Frequenzen werden durch kürzliche Experimente nahegelegt, die Trainingsparadigmen für die Bildung von Langzeitgedächtnis vergleichen und Veränderungen der mRNA-Spiegel in repetitiv stimulierten kultivierten Zellen untersuchen. Im Allgemeinen bietet der hier dargestellte rechnerische Ansatz, kombiniert mit geeigneten Experimenten, einen konzeptionellen Rahmen zur Untersuchung der Funktion genetischer Regulationssysteme.