Bifurcation analysis of regulatory modules in cell biology
Creators: name: Swat, Maciej J.
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2006
Subjects: subject: Zellzyklus
subject: G1/S-Uebergang
subject: Bifurkationstheorie
subject: Rueckkopplungsschleife
subject: cell cycle
subject: G1/S-Transition
subject: bifurcation theory
subject: feedback loop
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WF 2500

description: Das Kernstueck der vorliegenden Arbeit ist die Betonung von kleinen Modulen als Schluesselkomponenten von biologischen Netzwerken. Unter den zahlreichen moeglichen Modulen scheinen besondere diejenigen interessant zu sein, welche die Rueckkopplungen realisieren und in regulatorischen Einheiten auftreten. Prozesse wie Genregulation, Differentiation oder Homeostasis benoetigen haeufig Autoregulation. Auf Grund dessen ist die detaillierte Kenntnis der dynamischen Eigenschaften von kleinen Modulen von groesserem Interesse. Es werden zwei biologische Systeme analysiert. Das erste beschaftigt sich mit dem Zellzyklus, das zweite Beispiel kommt aus der Immunologie und betrifft die Aktivierung von T-Zellen. Beide Modelle, d.h. ihre zugrundeliegende Netzwerke, lassen sich in Untereinheiten mit wohldefinierten Funktionen zerlegen. Diese Module entscheiden ueber das Verhalten des gesamten Netzwerkes. Mit anderen Worten, die von den Modulen getroffenen Entscheidungen, werden von dem gesamten System uebernommen. Bei der Analyse des Modells zum Zellzyklus wurde eine interessante Eigenschaft von gekoppelten Modulen deutlich, die wir dann getrennt behandelt haben. Seriell geschaltete Module mit positiver Rueckkopplung liefern ueberraschende Konstruktionsmoeglichkeiten fuer Systeme mit mehreren stabilen Gleichgewichtslagen. Obwohl nicht alle hier aufgestellten Hypothesen derzeit experimentell ueberpruefbar sind, es kann eine wichtige Aussage getroffen werden. Uebereinstimmende Strukturen und Mechanismen, die in verschiedenen biologischen Systemen vorkommen, bieten uns die Moeglichkeit einer Klassifizierung von biologischen Systemen bezueglich ihrer strukturellen Aehnlichkeiten.
description: The thesis emphasizes the importance of small modules as key components of biological networks. Especially, those which perform positive feedbacks seem to be involved in a number of regulatory units. Processes like gene regulation, differentiation and homeostasis often require autoregulation. Therefore, detailed knowledge of dynamics of small modules becomes nowadays an important subject of study. We analyze two biological systems: one regarding cell cycle regulation and one immunological example related to T-cell activation. Their underlying networks can be dissected into subunits with well defined functions. These modules decide about the behavior of the global network. In other words, they have decision taking function, which is inherited by the whole system. Stimulated by the cell cycle model and its interesting dynamics resulting from coupled modules, we analyzed the switching issue separately. Serial coupling of positive feedback circuits provides astonishing possibilities to construct systems with multiple stable steady states. Even though, in current stage, no exact experimental proof of all hypotheses is possible, one important observation can be made. Common structures and mechanisms found in different biological systems allow to classify biological systems with respect to their structural similarities.