19 research outputs found
Integrative Modeling of Transcriptional Regulation in Response to Autoimmune Desease Therapies
Get PDFDie rheumatoide Arthritis (RA) und die Multiple Sklerose (MS) werden allgemein als Autoimmunkrankheiten eingestuft. Zur Behandlung dieser Krankheiten werden immunmodulatorische Medikamente eingesetzt, etwa TNF-alpha-Blocker (z.B. Etanercept) im Falle der RA und IFN-beta-Präparate (z.B. Betaferon und Avonex) im Falle der MS. Bis heute sind die molekularen Mechanismen dieser Therapien weitestgehend unbekannt. Zudem ist ihre Wirksamkeit und Verträglichkeit bei einigen Patienten unzureichend.
In dieser Arbeit wurde die transkriptionelle Antwort im Blut von Patienten auf jede dieser drei Therapien untersucht, um die Wirkungsweise dieser Medikamente besser zu verstehen. Dabei wurden Methoden der Netzwerkinferenz eingesetzt, mit dem Ziel, die genregulatorischen Netzwerke (GRNs) der in ihrer Expression veränderten Gene zu rekonstruieren. Ausgangspunkt dieser Analysen war jeweils ein Genexpressions- Datensatz. Daraus wurden zunächst Gene gefiltert, die nach Therapiebeginn hoch- oder herunterreguliert sind. Anschließend wurden die genregulatorischen Regionen dieser Gene auf Transkriptionsfaktor-Bindestellen (TFBS) analysiert. Um schließlich GRN-Modelle abzuleiten, wurde ein neuer Netzwerkinferenz-Algorithmus (TILAR) verwendet. TILAR unterscheidet zwischen Genen und TF und beschreibt die regulatorischen Effekte zwischen diesen durch ein lineares Gleichungssystem. TILAR erlaubt dabei Vorwissen über Gen-TF- und TF-Gen-Interaktionen einzubeziehen.
Im Ergebnis wurden komplexe Netzwerkstrukturen rekonstruiert, welche die regulatorischen Beziehungen zwischen den Genen beschreiben, die im Verlauf der Therapien differentiell exprimiert sind. Für die Etanercept-Therapie wurde ein Teilnetz gefunden, das Gene enthält, die niedrigere Expressionslevel bei RA-Patienten zeigen, die sehr gut auf das Medikament ansprechen. Die Analyse von GRNs kann somit zu einem besseren Verständnis Therapie-assoziierter Prozesse beitragen und transkriptionelle Unterschiede zwischen Patienten aufzeigen
Model-Based External Forcing of Nonlinear Dynamics in Chemical and Biochemical Reaction Systems via Optimal Control
Get PDFEin ausf¨uhrliches, quantitatives Verständnis, welches durch Modellieren erzielt wird, sowie das Ermöglichen einer spezifischen externen Steuerung des zellularen Verhaltens sind allgemeine langfristige Ziele der modernen biowissenschaftlichen Forschung in der Systembiologie. Selbstorganisation ist möglicherweise ein allgemein gültiges Prinzip für die zelluläre Organisation, da viele dynamische Eigenschaften zellulärer Strukturen sowohl hinsichtlich ihrer Bildung, Aufrechterhaltung und Funktion diesem folgen. Die Steuerung selbstorganisierter Dynamiken eröffnet einen Weg zur Untersuchung von dynamischem Verhalten sowie zur Generierung des gewünschten Verhaltens. Um dieses Ziel zu verwirklichen, konzentriert sich diese Dissertation in erster Linie auf die gezielt orientierte Beeinflussung dieser Systeme durch optimale Steuerungsmethoden. Der Ansatz optimaler Steuerung bietet große Flexibilität hinsichtlich der Bestimmung der Zielfunktionen. Wir verwenden eine direkte, auf den Multiple-Shooting-Ansatz basierende numerische Optimiermethode, welche insbesondere auf nichtlineare selbstorganisierende Systeme verwendbar ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie auf Modellen basierende optimale Steuerungsmethoden zum Erzeugen der gewünschten Systemdynamiken verwertet werden können. Im Fall des Circadischen Rhythmus und der Belousov-Zhabotinsky (BZ) Reaktion als Modellsysteme sind diese bezüglich der zeitabhängigen Steuerungsparameter nicht systemimmanent. Wir analysieren ein Circadisches Oszillatormodell des zentralen Uhrmechanismus für die Fruchtfliege Drosophila und zeigen, wie auf Modellen basierende optimale Steuerung, Phasenneueinstellung, Design von chronomodulierten Puls-Stimuli-Schemata zur Wiederherstellung des Circadischen Rhythmus in den Mutanten und optimale Phasensynchronisierung zwischen der Uhr und ihrer Umgebung erlaubt. Wir beziehen uns sowohl auf die optimalen Open-Loop- als auch auf die Rückkopplungssteuerungsmethoden. Circadische Rhythmen können das Timing und den Eintritt des Zellzyklus erheblich beeinflussen. Zur Untersuchung der auf Modellen basierenden optimalen Steuerungsszenarios sind ein detaillert gekoppelter Circadischer Zyklus und das Zellzyklusmodell f¨ur ein Säugetiersystem entwickelt worden. Erstergebnisse der numerischen Simulationen für den gekoppelten Circadischen Zyklus und das Zellzyklusmodell werden gezeigt. Insbesondere leicht zugängliche chemische Testrohrsysteme wie die BZ Reaktion sind für Untersuchungen der Steuerung selbstorganisierter Dynamiken sehr gut geeignet. Denn sie bieten ein Mittel für die Charkterisierung des Verhaltens, das für kompliziertere biologische Systeme relevant ist. Wir entwickeln ein ganz neuartiges detaillertes Modell für die lichtempfindliche BZ Reaktion, das auf einem Elementarreaktionsmechanismus beruht und reduzieren dieses aufgrund der Quasi-Steady-State- (QSSA) und partielle Gleichgewichtsnäherungen (PEA) explizit. Zur Stabilisierung instabiler stationärer Zustände sind systematische Analysen und auf Modellen basierende Steuerungen durchgeführt worden, woraus periodische Bahnen mit einer gewünschten Periode resultieren. Die Ergebnisse werden diskutiert und mit einem sehr einfachen 3-Variablen-Oregonator-Modell aus der Literatur verglichen
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