Aritalab:Lecture/Biochem/Modularity/NF

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==MAPK カスケードと負のフィードバック==
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ここでは Cell Designer ソフトウェアを用いて、MAPK　カスケードのシミュレーションを実感することを目標としています。
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Cell Designer ソフトウェアのデータベースBioModelsから、 MAPK を検索してBIOMD0000000010を選択してください。
 
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Mitogen-activated Protein Kinase (MAPK) は全身の細胞で発現し、細胞外のシグナルを核内に伝える代表的なシグナル伝達経路です。
 
Mitogen-activated Protein Kinase (MAPK) は全身の細胞で発現し、細胞外のシグナルを核内に伝える代表的なシグナル伝達経路です。
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MAPK とは総称で、代表的なものにERK1/2などがあります。ここでは MAPK が MAPキナーゼキナーゼ (MAPKK) により 2 段階のリン酸化を受け、MAPKK はMAPKKキナーゼにより 2 段階のリン酸化を受けるモデルになっています。最終的にできるMAPK二リン酸は、MKKK を抑制しています。
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MAPK とは総称で、代表的なものにERK1/2があります。ここでは MAPK が MAPキナーゼキナーゼ (MAPKK) により 2 段階のリン酸化を受け、MAPKK はMAPKKキナーゼにより 2 段階のリン酸化を受けるモデルになっています。最終的にできるMAPK二リン酸は、MKKK を抑制しています。
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このサイクルに一つだけ「抑制」の効果があるので、負のフィードバックループになっています。
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左図の右下から左上に戻ってくる経路 （抑制する反応を┴型で表現) が、抑制効果を表しています。
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このサイクルには、一つだけ「抑制」の効果があるので、負のフィードバックループになっています。
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初期値をみると MKKK, MKK, MAPK がそれぞれ 90, 280, 280 になっています。MKKKのリン酸化だけを考えてみましょう。もしもフィードバックループがないなら、MKKKとMKKK-Pは平衡状態になり、特に量の変動がない状態に落ち着くはずです。<br/>
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つぎにMKKKとMKKだけに注目したネットワークを作って動きを見てみます。上の図にあった黄色と赤のライン (MKKK) はこの図において黄色と緑になっています。MKKの三つが左から順にそれぞれ赤、水色、青です。赤と青に注目してください。MKKKの動きと同じです。<br/>
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BioModelsからダウンロードしたモデルが上のモデルと同じかどうかは一見わかりにくいですが、エディタでタンパク質の位置関係を整理すると、同じモデルであることがわかります。
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* MAPK  ... Erk2
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* MKK  ... Mek1
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* MKKK ... Mos
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という対応関係です。最後のMAPKによるフィードバック部分は
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MKKK / ((1 + pow(MAPK_PP / Ki, n)) * (K1 + MKKK))
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というヒル式になっています。
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とりあえず経路全体をシミュレーションしてみます（Simulationパネル）。8種のタンパク質が複雑な動きをすることがわかります。
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初期値をみると Mos, Mek1, Erk2 がそれぞれ 90, 280, 280 になっています。(リン酸化されていない初期状態。) シミュレーション結果のグラフでは、黄色、赤、緑色の線がそれぞれ 90, 280, 280 の値からスタートしているのがわかります。
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残りの初期値はすべて 10 になっていて、全てリン酸化されたタンパク質を表現しています。Mek1, Erk2 は2段階のリン酸化がおこなわれます。
 
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これはMKKK, MKK, MAPK とカスケードを足しても同じ動きをします。フィードバックがない状態では、全くリン酸化されていないMAPK (黄緑) と 二回リン酸化された MAPK (灰色) 関係は、初期状態から量が逆転しておわります。<br/>
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ここでフィードバックに当たる部分のヒル式を MKKK / (K1 + MKKK) 形に修正し、フィードバックをなくします。ループがないため、MosとMos-P（リン酸化された状態）が平衡状態、つまり量の変動がない状態に落ち着きます。
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左図で黄色が Mos-P, 赤色が Mos です。全ての Mos がリン酸化されてそのまま動かないことがわかります。
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Mos とMos-Pはそれぞれ 90, 10 が初期値だったので合計した 100 が最終的な Mos-P の量になっています。
 
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ここで最初のネットワークに戻してシミュレーションをやってみましょう。黄色と水色、赤とマゼンタ、黄緑と灰色が相補的な動きを見せるところは一緒です。しかし、灰色が上がってくると量が増えていた水色 (MKKK) が減ってくることに注意してください。水色と黄色はゆっくりと反転して初期状態に戻っていきます。それに遅れて赤とマゼンタが戻っていくこともわかります。
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つぎにシミュレーションパネルのチェックボックスを利用して、Mos, Mek1だけの表示にしてみます。フィードバックループがないため、やはり量の変動がない状態に落ち着くはずです。
 
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Mosとそのリン酸化体、Mek1とそのリン酸化体はいずれも相補的な挙動をみせています。二段階リン酸化を経る場合、一段階目のリン酸化体は量が大きく増えない点にも注意しましょう。
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ここまでの知見はカスケードが何段階になっても同じです。フィードバックがない状態では、それぞれのタンパク質がリン酸化されておわります。
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フィードバックがない状態で8種類のタンパク質を観測すると
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: Mos: 黄色と水色
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: Mek1: 赤とマゼンタ
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: Erk2: 緑と薄いグレー
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という3組の動きがどれも似て、いずれも相補的に動いていることがわかります。（ちょっとわかりにくいですが色を確認してください。）
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量が変化しはじめる時間をみると、その順序は　Mos &rarr; Mek1 &rarr; Erk2 です。Mek2の薄いグレーだけは増加のスピードが速くマゼンタを追い抜いて量が増えますが、増加し始めるタイミングはマゼンタより遅いことに注目してください。
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ここで最初のネットワークに戻って、フィードバックを考慮した状態でシミュレーションをやってみましょう。
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黄色と水色、赤とマゼンタ、緑と薄いグレーが相補的な動きを見せるところは一緒です。
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ネットワーク図における各タンパク質をモジュールと考え、代表タンパク質 (Mos-P, Mek1-PP, Erk2-PP) だけを表示させてみます。
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この3者がネットワークの挙動を示す鍵となっています。
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薄いグレー色が上がってくるにつれて量が増えていた水色 (Mos-P) が減ってくることに注意してください。
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水色が減るということは、これと相補的な挙動をする黄色 (Mos) が増えるということで、シミュレーションの初期に近い状態に戻っていきます。
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ここまで読んできた人は、最初のシミュレーション結果を複雑で難しいとは思わなくなります。なぜなら、3つのモジュールに分けて考えればよく、水色、マゼンタ、薄いグレーの挙動だけ把握すればあとは補えることがわかったからです。
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下の図で左が「難しく見える」シミュレーション結果です。このうち、3モジュールに注目すると真ん中のようになります。結局、3つのタンパク質グループ（ネットワーク図における黄色、黄緑、青の３種）が順番に量を増加させ、順番に量を減少させるだけです。
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ですから、時間軸を長くとると右図のようになり、振動していることがわかります。
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|[[File:Lecture-Biochem-Modularity-MAPKcycle-reduced.png|300px|MKKK and MKK and MAPK]]
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|[[File:Lecture-Biochem-Modularity-MAPKcycle-long.png|300px|MKKK and MKK and MAPK]]
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===まとめ===
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;負のフィードバックは、振動現象を実現する。

Latest revision as of 04:35, 7 June 2019


Contents

[edit] MAPK カスケードと負のフィードバック

ここでは Cell Designer ソフトウェアを用いて、MAPK　カスケードのシミュレーションを実感することを目標としています。 Cell Designer ソフトウェアのデータベースBioModelsから、 MAPK を検索してBIOMD0000000010を選択してください。

Mitogen-activated Protein Kinase (MAPK) は全身の細胞で発現し、細胞外のシグナルを核内に伝える代表的なシグナル伝達経路です。 MAPK とは総称で、代表的なものにERK1/2があります。ここでは MAPK が MAPキナーゼキナーゼ (MAPKK) により 2 段階のリン酸化を受け、MAPKK はMAPKKキナーゼにより 2 段階のリン酸化を受けるモデルになっています。最終的にできるMAPK二リン酸は、MKKK を抑制しています。 左図の右下から左上に戻ってくる経路 （抑制する反応を┴型で表現) が、抑制効果を表しています。 このサイクルには、一つだけ「抑制」の効果があるので、負のフィードバックループになっています。

MAPK pathway by Cell Designer

BioModelsからダウンロードしたモデルが上のモデルと同じかどうかは一見わかりにくいですが、エディタでタンパク質の位置関係を整理すると、同じモデルであることがわかります。

  • MAPK ... Erk2
  • MKK ... Mek1
  • MKKK ... Mos

という対応関係です。最後のMAPKによるフィードバック部分は 

MKKK / ((1 + pow(MAPK_PP / Ki, n)) * (K1 + MKKK))

というヒル式になっています。

MAPK pathway by Cell Designer

とりあえず経路全体をシミュレーションしてみます（Simulationパネル）。8種のタンパク質が複雑な動きをすることがわかります。

初期値をみると Mos, Mek1, Erk2 がそれぞれ 90, 280, 280 になっています。(リン酸化されていない初期状態。) シミュレーション結果のグラフでは、黄色、赤、緑色の線がそれぞれ 90, 280, 280 の値からスタートしているのがわかります。 残りの初期値はすべて 10 になっていて、全てリン酸化されたタンパク質を表現しています。Mek1, Erk2 は2段階のリン酸化がおこなわれます。

MKKK and MKK

ここでフィードバックに当たる部分のヒル式を MKKK / (K1 + MKKK) 形に修正し、フィードバックをなくします。ループがないため、MosとMos-P（リン酸化された状態）が平衡状態、つまり量の変動がない状態に落ち着きます。

左図で黄色が Mos-P, 赤色が Mos です。全ての Mos がリン酸化されてそのまま動かないことがわかります。 Mos とMos-Pはそれぞれ 90, 10 が初期値だったので合計した 100 が最終的な Mos-P の量になっています。

MAPK pathway by Cell Designer

つぎにシミュレーションパネルのチェックボックスを利用して、Mos, Mek1だけの表示にしてみます。フィードバックループがないため、やはり量の変動がない状態に落ち着くはずです。

MKKK and MKK

Mosとそのリン酸化体、Mek1とそのリン酸化体はいずれも相補的な挙動をみせています。二段階リン酸化を経る場合、一段階目のリン酸化体は量が大きく増えない点にも注意しましょう。

MKKK and MKK

ここまでの知見はカスケードが何段階になっても同じです。フィードバックがない状態では、それぞれのタンパク質がリン酸化されておわります。

MKKK and MKK and MAPK

フィードバックがない状態で8種類のタンパク質を観測すると

Mos: 黄色と水色
Mek1: 赤とマゼンタ
Erk2: 緑と薄いグレー

という3組の動きがどれも似て、いずれも相補的に動いていることがわかります。（ちょっとわかりにくいですが色を確認してください。） 量が変化しはじめる時間をみると、その順序は　Mos → Mek1 → Erk2 です。Mek2の薄いグレーだけは増加のスピードが速くマゼンタを追い抜いて量が増えますが、増加し始めるタイミングはマゼンタより遅いことに注目してください。

MKKK and MKK and MAPK

ここで最初のネットワークに戻って、フィードバックを考慮した状態でシミュレーションをやってみましょう。 黄色と水色、赤とマゼンタ、緑と薄いグレーが相補的な動きを見せるところは一緒です。 ネットワーク図における各タンパク質をモジュールと考え、代表タンパク質 (Mos-P, Mek1-PP, Erk2-PP) だけを表示させてみます。 この3者がネットワークの挙動を示す鍵となっています。 薄いグレー色が上がってくるにつれて量が増えていた水色 (Mos-P) が減ってくることに注意してください。 水色が減るということは、これと相補的な挙動をする黄色 (Mos) が増えるということで、シミュレーションの初期に近い状態に戻っていきます。

MKKK-P and MKK-PP and MAPK-PP only

ここまで読んできた人は、最初のシミュレーション結果を複雑で難しいとは思わなくなります。なぜなら、3つのモジュールに分けて考えればよく、水色、マゼンタ、薄いグレーの挙動だけ把握すればあとは補えることがわかったからです。 下の図で左が「難しく見える」シミュレーション結果です。このうち、3モジュールに注目すると真ん中のようになります。結局、3つのタンパク質グループ（ネットワーク図における黄色、黄緑、青の３種）が順番に量を増加させ、順番に量を減少させるだけです。 ですから、時間軸を長くとると右図のようになり、振動していることがわかります。

MKKK and MKK and MAPK MKKK and MKK and MAPK MKKK and MKK and MAPK

[edit] まとめ

負のフィードバックは、振動現象を実現する。
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