Computational models of response to cellular stress factors

Niniejsza rozprawa doktorska dotyczy tematyki formalnego modelowania procesów biologicznych stanowiących elementy odpowiedzi na warunki stresowe. Zaburzenia tych mechanizmów często leżą u podłoża rozwoju chorób nowotworowych i neurodegeneracyjnych. W rozprawie prezentuję dwa formalne modele opisujące procesy molekularne odpowiadające wybranym poziomom funkcjonowania komórek. Poziom metaboliczny reprezentuje model komórkowego metabolizmu sfingolipidów, z kolei model odpowiedzi komórki na warunki stresu termicznego, stanowi przykład formalnego modelu regulacji ekspresji genów. Ponadto w rozprawie zaproponowałam metodę obliczeniową pozwalająca szacować liczność podpopulacji komórek różniących się odpowiedzią transkryptomiczną na czynnik stresowy. Metoda ta pozwala również wnioskować na temat aktywacji różnorodnych ścieżek sygnałowych w odpowiedzi na czynniki stresu komórkowego. Opracowany przeze mnie formalny model metabolizmu sfingolipidów jest pierwszym w literaturze modelem zawierającym wszystkie elementy kluczowe dla metabolizmu tych bioaktywnych lipidów w komórkach ludzkich. Ponad to model umożliwia śledzenie ich zachowania w zależności od analizowanego organellum komórkowego. Co istotnie opisywany model może być wykorzystywany do badania zmian metabolicznych towarzyszących chorobom neurodegeneracyjnym. W tym kontekście elementy modelu zostały wykorzystane do opracowania ilościowego systemowego modelu farmakologicznego dla choroby Alzheimera przez firmę CERTARA. Następnie w rozprawie opisuję badania laboratoryjne wykonane w celu walidacji modelu metabolizmu sfingolipidów. Wyniki tych badań, w szczególności analiza wpływu ceramidu (bioaktywnego sfingolipidu) na nowotworowe komórki nerwowe (neuroblastoma) pozwoliły na opracowania innowacyjnej metody badania heterogeniczności reakcji komórek na czynnik stresowy. Metoda ta, nazwana MPH (ang.Molecular Process Heterogeneity), pozwala na rozłożenie macierzy ekspresji w taki sposób, że otrzymujemy informację o (i) proporcjach badanych subpopulacji w danej próbce oraz (ii) wzorcach transkrypcji specyficznych dla każdej subpopulacji. Zaproponowana metoda pozwoliła na weryfikację hipotez dotyczących cytoprotekcyjnej roli PJ34, czyli inhibitora polimerazy poli (ADP-rybozy) – PARP na komórki nerwiaka zarodkowego linii linii SH-SY5Y traktowane ceramidem. Drugim formalnym modelem, opisanym w niniejszej rozprawie jest model szoku termicznego (ang.Heat Shock Response; HSR) w komórkach HeLa. Pozwala on na badanie mechanizmu regulacji ekspresji genów kodujących białka z rodziny HSP w szczególności HSP70, będącego chaperoniną kluczową dla ochrony komórek przed efektami cieplnej denaturacji białek. W modelu przedstawiłam pętlę regulatorową działającą na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego obejmującą interakcje krytyczne dla odpowiedzi komórki na szok termiczny. Schemat biochemiczny modelu składa się z dwunastu reakcji, które zostały przekształcone w układ równań różniczkowych zwyczajnych. Zachowania modelu badałam między innymi metodą analizy wrażliwości modelu co pozwoliło na wskazanie kluczowych reakcji, których zaburzenie propaguje szum na pozostałe interakcje. Nazwa HSR sugeruje, że odpowiedź komórki wywołana jest stresem cieplnym, jednakże białka z grupy HSP uczestniczą w reakcji na najrozmaitsze czynniki stresowe. Ich udział jest kluczowy dla rozwoju zarówno chorób nowotworowych jak i neurodegeneracyjnych, co więcej raportowano istnienie powiązań między aktywnością HSP70, a ścieżkami metabolizmu sfingolipidów. Z uwagi na ogromną złożoność i wielowymiarowość mechanizmów komórkowej reakcji na stres, zastosowanie podejścia systemowego wydaje się być jedyną drogą mogącą przybliżyć nas do zrozumienia i opisania zasad molekularnej reakcji na stres. Wykorzystanie modeli obliczeniowych i symulacji komputerowych pozwala na wgląd w naturę tych złożonych systemów.

This doctoral dissertation concerns the subject of formal modeling of biological processes in response to stress conditions. In particular, disturbances of these mechanisms play an important role in the etiology of neu- rodegenerative and neoplastic diseases. In the dissertation I present two formal models describing molecular processes corresponding to selected levels of cell function. The metabolic level is represented by the model of sphingolipid metabolism, while the model of Heat shock response is an example of a formal model for gene expression regulation loop.In addition, in the dissertation I proposed an innovative calculation method that allows estimating the number of subpopulations of cells that differ in transcriptomic response to a stress factor. This method also allows to infer the activation of various signaling pathways in response to the extracellular stress factors. Proposed formal model of sphingolipid metabolism is the first model described in the literatur containing all key elements for the metabolism of these bioactive lipids in human cells. In addition, the model allows to track their behavior depending on the cellular organelle being analyzed. Indeed, the described model can be used to study metabolic changes associated with neurodegenerative diseases. In this context, model elements were used to develop a quantitative systemic pharmacological model for Alzheimer's disease by pharmacological company CERTARA. Then in the dissertation I describe a series wet lab experiments performed to validate the sphingolipid metabolism model. The results of these studies, in particular the analysis of the effects of ceramide (bioactive sphingolipid) on neoplastic nerve cells (neuroblastoma) have enabled the development of an innovative method to study the heterogeneity of cellular response to stress factor. The use of this new computational approach, called MPH (Molecular Process Heterogeneity), allows the decomposition of the expression matrix in a way that provides information about (i) the proportions of the studied subpopulations in a given sample and (ii) the transcription patterns specific for each subpopulation. The proposed method allowed to verify hypotheses regarding the cytoprotective role of PJ34, i.e. an inhibitor of poly (ADP-ribose) polymerase - PARP for ceramide treated neuroblastoma SH-SY5Y line cells. The second formal model described in this dissertation is the Heat Shock Response (HSR) model in HeLa cells. It allows to study the mechanism of gene expression regulation in particular it focuses on HSP70 from the HSP family. HSP70 is a key chaperonin for the cells protection against the effects of thermal denaturation of proteins.In the model I presented a regulatory loop working on the principle of negative feedback including all the interactions critical for the cellular heat shock response. The biochemical scheme of the model consists of twelve reactions that have been transformed into a system of ordinary differential equations. I tested the model's behavior, among others, by performing model's sensitivity analysis, which allowed me to identify reactions key for the models stability and the noise propagation within the model. The name HSR suggests that the cell response is caused by heat stress, however HSP proteins are involved in the reaction to various stress factors. Their participation is crucial for the development of both cancer and neurodegenerative diseases, moreover, there are numerous reports on links between HSP70 activity and sphingolipid metabolism pathways. Due to the complexity and multidimensionality of cellular stress response mechanisms, the use of a systemic approach seems to be the only way that can bring us closer to understanding and describing the principles of molecular response to stress. The use of computational models and computer simulations allows an insight into the nature of these complex systems.