Mecanismos de transducción de las condiciones extracelulares en mediciones/representaciones cuantitativas

Givré, Alan Matías

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Mecanismos de transducción de las condiciones extracelulares en mediciones/representaciones cuantitativas
Título alternativo:	Transduction mechanisms of extracellular conditions into quantitative measurements/representations
Autor:	Givré, Alan Matías
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Lugar de trabajo:	Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA)
Fecha de defensa:	2024-05-06
Fecha en portada:	06/05/2024
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Departamento Docente:	Departamento de Física
Director:	Ponce Dawson, Silvina Martha
Director Asistente:	Colman Lerner, Alejandro Ariel
Consejero:	Grecco, Hernan Edgardo
Jurado:	Chernomoretz, Ariel; Schor, Ignacio Esteban; Samengo, Inés
Idioma:	Español
Palabras clave:	SEÑALIZACION CELULAR; TEORIA DE LA INFORMACION; PULSOS DE Ca2+; TRANSCRIPCIONCELL SIGNALING; INFORMATION THEORY; Ca2+ PULSES; TRANSCRIPTION
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7525_Givre
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7525_Givre.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7525_Givre
Ubicación:	FIS 007525
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Givré, Alan Matías. (2024). Mecanismos de transducción de las condiciones extracelulares en mediciones/representaciones cuantitativas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7525_Givre

Resumen:

Los seres vivos reaccionan y responden a cambios en su entorno. Para generar respuestas específicas la “información” contenida en los estímulos debe ser decodificada. Diversas observaciones han llevado a la conclusión de que, dependiendo de la función específica de cada sistema, la información se puede procesar y representar en dos amplias formas: las señales pueden estar codificadas en la amplitud de la concentración de algún intermediario de la transducción o bien en la frecuencia con la que algunas moléculas “señalizadoras” pasan de un estado activo a otro inactivo. Los mecanismos de señalización suelen involucrar reacciones químicas de las que participa un pequeño número de moléculas. El ruido ineludible en este tipo de procesos limita la capacidad de las v ́ıas de señalización. Sin embargo, en muchas ocasiones las respuestas son generadas con gran precisión. ¿De qué manera las células mejoran la relación señal-ruido para lograr esta precisión? ¿Cómo se comparan en este sentido las vías de señalización que codifican por amplitud con las que lo hacen por frecuencia? En esta Tesis se utilizó la teoría de la información de Shannon para intentar responder a estas preguntas. En esta Tesis, se trabajó en tres aspectos relacionados entre sí que están desarrollados en los Capítulos 2–5. En primer lugar, se trabajóen la descripción mecanística del paso de codificación que va del estímulo externo a un intermediario cuando éste muestra un comportamiento pulsátil estocástico. Para tal fin el trabajo se basó en las numerosas observaciones y modelos en los que el intermediario es el calcio (Ca2+) intracelular. Combinando modelos derivados de observaciones que muestran características comunes a las de sistemas excitables impulsados por ruido se obtuvieron resultados analíticos y numéricos que muestran cómo la información transmitida depende del valor medio del intervalo de tiempo entre pulsos y cómo esta información aumenta dependiendo del peso relativo entre las tasas de disparo (estocástico) y de recuperación de la inhibición luego de un disparo (determinista). En particular, se encontró que en presencia de inhibición, la información transmitida puede exceder en 1bit (y así duplicar) a la del caso puramente estocástico descrito por una estadística Poissoniana. Este resultado fue obtenido tanto estudiando un par de pulsos como en el límite de muchos pulsos. En segundo lugar, se estudiaron las diferencias y similitudes del procesamiento de información cuando la intensidad de los estímulos extracelulares está codificada en la amplitud, la duración o la frecuencia entre pulsos de la fracción nuclear de un factor de transcripción (FT). Para ello, se analizó la información que puede transmitir el paso asociado a la transcripción usando un modelo sencillo basado en observaciones experimentales del FT Msn2 de la levadura S. cerevisiae, y calculando numéricamente la información mutua (MI) entre el FT y la cantidad de ARN mensajero producido, tomando a esta última como un indicador de la cantidad de proteína sintetizada. Explorando exhaustivamente el espacio de parámetros, se determinó que la MI es máxima en las mismas condiciones para las tres formas de codificación (el umbral de activación del promotor debe ser alto y empinado y la dinámica de todo el proceso debe ser rápida) y que en todos los casos la MI fue de ∼ 1−2bits. Se encontró, sin embargo, que no todas las formas de codificación tienen la misma sensibilidad frente a variaciones de los parámetros que caracterizan a la transcripción. Debido a esta diferente sensibilidad, es posible encontrar promotores relativamente “ciegos” a las entradas moduladas por frecuencia pero que actúan como “switches” ruidosos para las moduladas por duración o amplitud. La situación contraria no puede ser encontrada: los pulsos cortos activan selectivamente un subconjunto de promotores, mientras que pulsos prolongados de FT activan varias vías simultáneamente. Este resultado no solo ayuda a explicar observaciones experimentales en células de levadura sino que puede establecer límites para la “multiplexación” de información (el proceso que ocurre cuando se usa el mismo FT para inducir diferentes respuestas finales dependiendo de su dinámica). El trabajo contenido en el Capítulo 4 combina el proceso dinámico “río arriba” del FT con el modelo de transcripción explorado en el Capítulo 3. El objetivo acá fue comparar diferencias y similitudes entre modulación por amplitud y por frecuencia cuando ambas etapas de la codificación (desde el estímulo externo hasta la transcripción) son tenidas en cuenta. Para tal fin se modeló el proceso río arriba suponiendo que en el caso de codificación por amplitud, la fracción nuclear del FT es una función de Hill del estímulo externo mientras que, en el caso de codificación por frecuencia, la frecuencia media entre pulsos sucesivos depende exponencialmente de dicho estímulo (como se hizo en el primer trabajo derivado de esta Tesis). Esta dependencia exponencial fue observada en pulsos intracelulares de Ca2+ mediados por canales-receptores de IP3, y fue también encontrada al analizar los pulsos de localización nuclear del FT, Crz1, en células de levadura. Como mostramos en el Capítulo 5, esta dependencia puede explicarse suponiendo que la dinámica deriva de un sistema excitable donde los pulsos se asocian a las largas excursiones en el espacio de fases que ocurren en estos sistemas cuando se supera un umbral. Utilizando una distribución de soporte compacto para la intensidad del estímulo externo, los resultados del Capítulo 4 muestran que la codificación por amplitud solo funciona de modo óptimo cuando la distribución del estímulo está centrada alrededor de valores para los que la derivada de la función de Hill es máxima. La transmisión por frecuencia, por otro lado, es mucho menos sensible a variaciones en la mediana de la distribución del estímulo externo y puede mejorar al aumentar las intensidades de dicho estímulo (dentro de ciertos límites). Podemos decir entonces que estos dos modos de codificación dotan a las células de una “lente” distinta con la que percibir su entorno. En particular, el hecho de que distintas estrategias de transducción de un mismo estímulo sean óptimas en distintos rangos de intensidades del estímulo podría explicar por qué algunas células, como las de levadura, son capaces de detectar gradientes de un efector externo (feromona en el caso de la levadura) para un rango muy amplio de concentraciones medias distintas. El Capítulo 5 brinda el marco teórico para el uso de la dependencia exponencial entre el tiempo medio entre pulsos del agente señalizador y la intensidad del estímulo externo cuyo uso en el Capítulo 4 fue principalmente justificado en términos de las numerosas observaciones experimentales existentes. Más específicamente, en este Capítulo usamos un modelo sencillo de la dinámica del Ca2+ intracelular promediado sobre toda la célula en el que el factor principal que impulsa dicha dinámica es la liberación de Ca2+ desde el retículo endoplasmático a través de canales-receptores de IP3. Englobando en un término de ruido aditivo los efectos de las inhomogeneidades espaciales y de los muchos procesos estocásticos que afectan la dinámica del Ca2+ intracelular, estudiamos el comportamiento del modelo para parámetros en los que el sistema es excitable. En los sistemas excitables el ruido puede provocar largas excursiones en el espacio de fases que, en el modelo acá analizado, corresponden a pulsos de Ca2+. Usando el modelo con ruido determinamos entonces el tiempo medio entre los pulsos de Ca2+ como función de uno de los parámetros del modelo (la fracción β de receptores con IP3 ligado pasibles de abrirse al ligar Ca2+). Utilizando observaciones de señales espacio-temporales de Ca2+ intracelular y un modelo sencillo de los receptores de IP3, en este Capítulo pudimos cuantificar el ruido y vincular β con la concentración de IP3. Usando estimaciones de la relación entre esta concentración y la intensidad del estímulo externo para distintas células pudimos mostrar que el tiempo medio entre pulsos depende exponencialmente de dicha intensidad para un rango tal que el valor de los tiempos correspondientes varía sobre un intervalo igual o mayor a los observados experimentalmente en distintos tipos celulares. Si bien este resultado fue formalmente derivado para los pulsos intracelulares de Ca2+, la generalidad y sencillez del modelo utilizado permite suponer que es posible aplicar un enfoque similar a otros casos, en particular, al comportamiento pulsátil de FTs, para el que existe abundante evidencia de que, en muchos casos, se rige por una dinámica excitable. En conclusión, en esta Tesis, exploramos distintos aspectos en que la dinámica temporal en la señalización celular otorga a las células capacidades que en caso contrario no tendrían. Es importante notar que la capacidad de transmitir información es un fenotipo y, por tanto, la selección natural puede actuar sobre ella. En primer lugar, mostramos cómo una dinámica temporal con estadística no Poissoniana (mediante un Feedback Negativo Global) puede aumentar la información transmitida respecto del caso puramente Poissoniano. En segundo lugar, mostramos que la dinámica temporal de un Factor de Transcripción puede activar selectivamente promotores mediante el fenómeno de multiplexación dinámica. En tercer lugar, mostramos cómo la distinta forma en que los estímulos externos se codifican en los intermediarios de la señalización dependiendo de su dinámica expande el rango de intensidades del estímulo para los cuales puede transmitirse información de forma fidedigna. Este último resultado derivado inicialmente en base a observaciones experimentales fue finalmente validado a partir de un modelo teórico. Todos estos aspectos de la señalización se manifiestan en fenómenos biológicamente relevantes como se discute en la Tesis.

Abstract:

Living beings react and respond to changes in their environment. The “information” contained in the stimuli must be decoded to generate specific responses. Various observations have led to the conclusion that, depending on the particular function of each system, information can be processed and represented in two broad ways: signals can be encoded in the amplitude of the concentration of some transduction intermediate, or in the frequency with which some “signaling” molecules switch from an active to an inactive state. Signaling mechanisms frequently use chemical reactions involving a small number of molecules. The unavoidable noise in this type of process limits the capacity of the signaling pathways. However, on many occasions, the answers are generated with great precision. How do cells improve the signal-to-noise ratio to achieve this precision? How do signaling pathways that use amplitude encoding compare with those that encode by frequency? In this Thesis Shannon’s information theory is used to try to answer these questions. In this Thesis, we worked on three interrelated aspects that are developed in Chapters 2–5. First, we worked on the mechanistic description of the coding step that goes from the external stimulus to an intermediary that shows a stochastic pulsatile behavior. To this end, the work was based on numerous observations and models in which the intermediary is intracellular calcium (Ca2+). By combining models derived from observations that show characteristics common to those of noise-driven excitable systems, analytical and numerical results were obtained that show how the information transmitted depends on the average value of the time interval between pulses and how this information increases depending on the relative weight between the rates of firing (stochastic) and the recovery from inhibition after firing (deterministic). In particular, it was found that in the presence of inhibition, the information transmitted can exceed by 1 bit (and thus double) that of the purely stochastic (Poissonian) case. This result was obtained both by studying a pair of pulses and in the limit of many pulses. Second, we studied the differences and similarities of information processing when the intensity of extracellular stimuli is encoded in the amplitude, duration, or frequency between pulses of the nuclear fraction of a transcription factor (TF). To do this, we analyzed the information that the transcription-associated step can convey using a simple model based on experimental observations of the TF, Msn2 of the yeast S. cerevisiae, and numerically calculating the mutual information (MI) between the TF and the amount of messenger RNA produced, taking the latter as an indicator of the amount of protein synthesized. Exploring exhaustively the parameter space, it was determined that the MI is maximal under the same conditions for the three forms of coding (the promoter activation threshold must be high and steep and the dynamics of the whole process must be fast) and that in all cases MI∼ 1 − 2bits. It was found, however, that not all coding forms have the same sensitivity to variations in the parameters that characterize transcription. Due to this different sensitivity, it is possible to find promoters that are relatively “blind” to frequency-modulated inputs but act as noisy switches for duration or amplitude-modulated ones. The reverse situation cannot be found: short pulses selectively activate a subset of promoters, while prolonged FT pulses activate several pathways simultaneously. This result not only helps to explain experimental observations in yeast cells but may set limits for information “multiplexing” (the process that occurs when the same FT is used to induce different final responses depending on its dynamics). The work contained in Chapter 4 combines the process upstream the nuclear localization of the FT with the transcription model explored in Chapter 3. The objective here was to compare differences and similarities between modulation by amplitude and by frequency when both stages of the coding (from the external stimulus to the transcription) are taken into account. For this purpose, the upstream process was modeled assuming that in the case of amplitude coding, the nuclear fraction of the FT is a Hill function of the external stimulus while, in the case of frequency coding, the average frequency between successive pulses depends exponentially of said stimulus (as was done in the first work derived from this Thesis). This exponential dependence was observed for intracellular Ca2+ pulses. We also found it when analyzing the pulses of the FT, Crz1, in yeast cells. As shown in Chapter 5, this dependence can be explained assuming that the underlying dynamics is excitable and that the pulses are associated with the long excursions in phase space that occur in these systems when a threshold is surpassed. Using a compact support distribution for the intensity of the external stimulus, the results of Chapter 4 show that amplitude coding only works optimally when the stimulus distribution is centered around values for which the derivative of the Hill function is maximum. Transmission by frequency, on the other hand, is much less sensitive to variations in the median distribution of the external stimulus and improves with increasing intensities of said stimulus (within certain limits). We can then say that these two encoding modes provide cells with a different “lens” through which to perceive their environment. In particular, the fact that different transduction strategies for the same stimulus are optimal in different ranges of stimulus intensities could explain why some cells, such as yeast cells, are capable of detecting gradients of an external effector (pheromone in the case of yeast) for a very wide range of different mean concentrations. Chapter 5 provides the theoretical framework for the use of the exponential dependence between the mean interpulse time of the signaling agent and the intensity of the external stimulus which use in Chapter 4 was mainly justified in terms of the numerous existing experimental observations. More specifically, in this Chapter we use a simple model of the intracellular Ca2+ dynamics averaged over the entire cell in which the main factor driving the dynamics is the release of Ca2+ from the endoplasmic reticulum through IP3-receptor-channels. Encompassing in a single additive noise term the effects of the spatial inhomogeneities and of the many stochastic processes that affect the dynamics of intracellular Ca2+, we study the behavior of the model for parameters for which the system is excitable. In excitable systems, noise can cause long excursions in phase space that, in the model analyzed here, correspond to pulses of Ca2+. Using the noisy model we then determined the average time between Ca2+ pulses as a function of one of the model parameters (the fraction, β, of receptors with IP3 bound ready to become open upon Ca2+ binding). Using spatio-temporal observations of intracellular Ca2+ and a simple kinetic model of the IP3 receptors, in this Chapter we were able to quantify the noise and relate β to the IP3 concentration. Using estimates of the relationship between this concentration and the intensity of the external stimulus for different cells we showed that the average time between pulses depends exponentially on said intensity for a range such that the value of the corresponding times varies over an interval equal to or greater than those observed experimentally in different cell types. Although this result was formally derived for intracellular Ca2+ pulses, the generality and simplicity of the model allows us to assume that it is possible to apply a similar approach to other cases, in particular, to the pulsatile behavior of FTs, for which there is abundant evidence that, in many cases, it is governed by excitable dynamics. In conclusion, in this Thesis, we explored different aspects in which temporal dynamics in cell signaling give cells capabilities that they would not otherwise have. It is important to note that the ability to transmit information is a phenotype and, therefore, natural selection can act on it. First, we showed how a dynamics with non-Poissonian statistics (through Global Negative Feedback) can increase the transmitted information with respect to the purely Poissonian case. Secondly, we showed that the temporal dynamics of a Transcription Factor can selectively activate promoters through the phenomenon of dynamic multiplexing. Third, we showed how the different way in which external stimuli are encoded in signaling intermediaries depending on their dynamics expands the range of stimulus intensities for which information can be transmitted reliably. This last result initially derived based on experimental observations was finally validated based on a theoretical model. All these aspects of signaling are manifested in biologically relevant phenomena that are discussed in the Thesis.

Citación:

---------- APA ----------

Givré, Alan Matías. (2024). Mecanismos de transducción de las condiciones extracelulares en mediciones/representaciones cuantitativas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7525_Givre

---------- CHICAGO ----------

Givré, Alan Matías. "Mecanismos de transducción de las condiciones extracelulares en mediciones/representaciones cuantitativas". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2024.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7525_Givre

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