„Modeling circadian clocks: Roles, advantages, and limitations“

„Modeling circadian clocks: Roles, advantages, and limitations“

Molecular Computing
Dr.-Ing. Habil. Thomas Hinze
„Modeling circadian clocks:
Roles, advantages, and limitations“
by Didier Gonze
Vortrag von Martin Buschack
Cottbus, den 10.07.2014
Inhalt
I.
Was ist eine zyklische Uhr?
II.
Entdeckung
III.
Aufbau
IV.
Funktionsweise
V.
Besonderheit
VI. Modellierung
VII. Grenzen und Probleme
VIII. Zusammenfassung
Jetlag - Wieso?
●
durch Langstreckenflüge über mehrere Zeitzonen
→ Störung des Schlaf-Wach-Rhythmuses
●
innere Uhr läuft nach alter Zeitzone
●
Grund: innere zyklische Rhythmus
T. Hinze: Computer der Natur (2013)
Zyklische Uhren
(latin „circa“ - rund, „dies“ - Tag)
•
treiben biol. Rhythmus an
•
ununterbrochene, endogene Schwingungen
•
auf molekularer Eben erzeugt durch Regulation („clock genes“)
•
Periodenlänge ungef. 24 h
•
Anpassung an äußere Reize wie z. B. Hell-Dunkel-Schwankungen
= Entrainment
•
Temperaturunabhängig innerhalb eines physiologischen Intervalls
•
Reaktionssystem mit mind. einem Rückführkreis
=> biolgische Gegenstück eines Frequenzregelkreises¹
¹ Dr.-Ing. habil. Thomas Hinze: Computer der Natur (2013)
Entdeckung
1
●
erste Clockgen „period“ (per) in Drosophila entdeckt
2
●
in Pflanzen, z.B.: Arabidopsis (Schaumkresse)
3
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in Pilzen, z.B.: Neurospora (Schimmelpilz → Schlauchpilz)
4
●
in Säugetieren, z.B.: Mensch, im suprachiasmatischen
Nucleus des Hypothalamus
¹ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/Drosophila_repleta_lateral.jpg
² http://research.unt.edu/sites/default/files/Arabidopsis.jpg
³ http://ricksmith.me/wp-content/uploads/2009/10/bread-mold-590.jpg
⁴ http://www.livescience.com/13123-circadian-rhythms-obesity-diabetes-nih.html
Aufbau
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●
●
zykl. Schrittmacher aus Zellpopulation aufgebaut
müssen gekoppelt (global oder lokal) und synchronisiert sein,
um robusten Rhythmus zu schaffen
Rückmeldung von Uhr → Input und Output → Uhr, macht
Verständnis zykl. Uhren herausfordernd
¹ D. Gonze: Modeling circadian clocks: Roles, advantages, and limitations (2011)
Funktion am Beispiel von
Cyanobakterien
●
Proteine KaiA, KaiB und KaiC bilden zentralen Oszillator
●
Ausfall eines Proteins führt zur Arhythmie
●
0 – 6 h:
Phosphorylierung der KaiC-Hexamere (schw. Kreise)
●
6 – 12 h:
KaiBC-Komplexbildung
●
12 – 18 h: Dephosph. der KaiC-Hexamere (weiße Kreise)
●
18 – 24 h: Sequestrierung von KaiA
¹ A.Wilde, I. Axmann: Circadiane Uhr – Wie messen Bakterien die Zeit?
Besonderheit
●
Lichtimpuls als Regler:
-
Beobachtung bei Pflanze Kalanchoe, wenn gut dosierter
Lichtimpuls bei bestimmten zykl. Phasen verabreicht wird,
Bewegung der Blütenblätter permanent gestoppt
-
zweite Impuls kann Bewegung wieder einleiten
2 Erklärungen:
- Lichtimpuls bringt System nahe eines „Singularitätspunktes“
→ Punkt, in dem auf kleine Ursache eine große Wirkung folgt
→ System für best. Zeit gestoppt, kehrt schließlich zurück
–
→ zweite Impuls beschleunigt Erholung
Besonderheit
- andere Erklärung anhand Molekularmodels der zykl. Uhr
einer Drosophila
- basierend auf Koexistenz eines stabilem Status und eines
Grenzzykluses
- identische Bedingungen → nimmt stabilen Status an oder
oscilliert
- Lichtimpuls als Schalter zwischen beiden
- Beispiel, wo Model zum Verständnis beiträgt
Funktionen und Vorteile des
Modellierens
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Analysieren und Verstehen komplexer Situationen
●
schnelle, systematische Untersuchung alternativer Mechanismen
●
Klärung und (Nicht-)Bestätigung von Hypothesen
●
Erkennen von Schlüsseleinwirkungen und Parameter
→Erkenntnis von Verhalten und Bedingungen zum Einfluß
●
Adressieren von Fragen, experimentell nicht näherbar
●
bietet testbare Prognosen und schlägt Experimente vor
●
bietet vereinigten Rahmen um exp. Beobachtungen und
Ähnlichkeiten zw. offenbar verschiedenen Prozessen
Grenzen und Probleme
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Details molekularer Mechanismen unbekannt
●
Art des Vergleichs und Werte der Parameter willkürlich
●
Unmöglich akkurate, quantitative Modelle zu entwickeln
●
Kritik: Modelle geben bereits bekannte Daten und
Fehlprognosen wieder
→ liefert evtl. aber gleichzeitig Erkenntnisse
●
Kein Model, egal wie detailiert, bringt definitive Antworten
Zusammenfassung
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zykl. Uhren sind sehr komplexe Systeme
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viele Parameter und Prozesse, erschweren Verständnis
●
ungewiss, ob jemals Erforschung bis ins kleinste Detail bzw.
aller Parameter oder Prozesse möglich
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Modellierung als Forschungsgebiet wächst
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neue Technik (Computer) → genauere Berechnugen
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besseres Verständnis für biol. Prozesse
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Ergebnisse können vllt. auf Technik übertragen werden
→ evtl. effizientere, schnellere Computer