Kinetic and Boolean modeling of apoptosis in hepatocytes

Das Ziel der Systembiologie ist ein ganzheitliches Verständnis komplexer biologischer Strukturen. Systembiologie kann als Anwendung der Systemtheorie, mit Beiträgen aus der Analysis, Statistik, Informatik und Physik, auf die Biologie charakterisiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Modellierung der Apoptose, des programmierten Zelltods, mit Boolescher Logik sowie mit gewöhnlichen Differentialgleichungen von zwei Seiten aus angegangen. Boolesche Logik eignet sich besonders gut, um große Netzwerke mit wenigen verfügbaren Daten zu beschreiben, da nur strukturelle Informationen benötigt werden. Um die Vorteile Boolescher Modelle zu stärken, werden in dieser Arbeit allgemeine Modellierungsstrategien für einen Ansatz präsentiert, der auf logischen stationären Zuständen basiert. Der wesentliche vorgeschlagene Punkt ist die Verwendung von funktionalen Knotenwerten und künstlichen Knoten. Dahinter steht die Idee, biologische Funktionen anstatt der Menge von Molekülen wiederzugeben. Dies erlaubt bis zu einem gewissen Grad funktionale Zusammenhänge zu erhalten, die mit einem klassischen Booleschen Modellierungsansatz verloren gehen würden. Außerdem werden Qualitätssicherungsmethoden aus der Software-Technik auf Boolesche Modelle angewendet. Unter Verwendung der vorgestellten Modellierungs-Strategien und -Werkzeuge werden zwei Teilnetzwerke des Apoptose-Netzwerkes in dieser Arbeit logisch modelliert. Es wird ein Modell der zentralen intrinsischen und extrinsischen apoptotischen Signalwege aufgestellt und nach umfangreicher experimenteller Validierung analysiert. Das Model reagiert auf mehrere externe Stimuli wie Fas Ligand, TNFa, UV-B Bestrahlung, Interleukin-1ß und Insulin. Der Ausgang des Modells ist Apoptose, die aus der Aktvierung von Caspase-3 resultiert. Ein zweites Modell konzentriert sich auf die finalen Vorgänge zwischen der Aktivierung von Caspase-3 und der Ausführung des Zelltods in einer sterbenden Zelle. Beide Apoptose-Modelle werden schließlich zusammengeführt. Die Modellierung mit Differentialgleichungen ist ein klassischer Ansatz in der Systemtheorie und für ihre Analyse steht eine Vielzahl von Werkzeugen zur Verfügung. Um die aus einem biologischen Experiment für ein bestimmtes Differentialgleichungsmodell praktisch gewonnene Informationsmenge abzuschätzen, wird ein Verfahren für die Planung von Experimenten in dieser Arbeit vorgeschlagen. Es basiert auf künstlichen Messdaten, die durch die Simulation des Systems unter Verwendung eines nominellen Parameter-Sets gewonnen werden. Schließlich werden Differentialgleichungsmodelle für die Systemantwort mehrerer zentraler apoptotischer Signalpfade auf nicht apoptotisches TNFa und pro-apoptotischen Fas Ligand in Hepatozyten präsentiert. Bei entsprechender Behandlung von Hepatozyten mit diesen beiden Stimuli kommt es zu deutlich verstärkter Apoptose. Es wird ein Modell vorgestellt, das diesen sogenannten Sensitivierungs-Effekt reproduzieren kann. Auch die Kombination von TNFa und Aktinomycin D induziert starke Apoptose in Hepatozyten. Dieser Effekt wird durch die Zugabe von BHA, das reaktive Sauerstoffspezies absorbiert, verhindert. Um alle genannten Szenarien wiedergeben zu können, wurde das erste Modell substantiell erweitert. Dabei wurden komplexe Wechselwirkungen zwischen den Signalwegen berücksichtigt. Das resultierende DGL Modell gibt die beobachteten Reaktionen des Netzwerks auf alle untersuchten einfachen und kombinierten Stimuli korrekt wieder.