Visualisierung biochemischer Netzwerke - Arbeitsbereich für ...

Visualisierung abstrakter Daten SS 2004
Felix Schernhammer TU Wien
5. Regulatorische Netzwerke
Ein Sonderfall der metabolischen Netzwerke sind die regulatorischen Netzwerke. Von diesen
sind vor allem die Netzwerke interessant, welche die Regulierung der Genaktivität
beschreiben. Bei der Genregulation (siehe Kap 1) wird die Eiweißproduktion dadurch
reguliert, dass das Vorhandensein bestimmter Proteine (sog. Regulatorproteine) darüber
entscheidet, ob ein Gen Proteine produziert oder nicht. (natürlich produziert ein Gene keine
Proteine. Die Proteinsynthese wird hier abstrahiert (siehe Kap 1)) Diese Proteine können dann
entweder wieder Regulatorproteine sein, oder entsprechende funktionale Proteine.
Der erste Visualisierungsansatz kann von der Pfadvisualisierung übernommen werden. Es
handelt sich um eine Visualisierung mittels Petri Netzen. Man benutzt Gene und Proteine für
die zwei Knotentypen und die Kanten stellen deren Beziehung dar. Auch die oben
beschriebenen Erweiterungen machen auch bei regulatorischen Netzwerken (oder teilweise
auch nur bei solchen) Sinn.
5.1 Bool’sche Netzwerke
Dieser Visualisierungsansatz bietet gute Erkenntnisse über das dynamische Verhalten eines
regulatorischen Netzwerkes. Zur Vereinfachung wird die Zeit nicht kontinuierlich behandelt,
sondern es werden immer synchrone Zustandsänderungen vollzogen. Das heißt zu bestimmten
Zeitpunkten ändern alle Gene ihr Expressionsverhalten gemäß der jeweiligen Konzentration
von Regulatorproteinen in ihrer Nähe.
Die Gene selbst sind Knoten, die nur die Werte 1 (Gen „produziert“ Protein) und 0 (Gen
„produziert“ kein Protein) annehmen können. Für jedes Gen ist weiters eine bestimmte
Funktion gegeben, die angibt wie sich das Expressionsverhalten im nächsten Timeslot ändert.
Diese Funktion hängt vom Expressionsverhalten bestimmter anderer Gene im aktuellen
Timeslot ab. Dadurch entstehen Zustände, die durch ein n-Tupel von 0en und 1en beschrieben
werden können, wenn die Anzahl der Gene n ist. Es gibt maximal 2 n Zustände, die man leicht
in einen gerichteten Graphen zeichnen kann. Da aber der Prozess der Regulation theoretisch
endlos läuft muss es Kreise in diesem Graph geben. Knoten, die sich innerhalb solcher Kreise
befinden heißen Attraktoren.
Visualisierung biochemischer Netzwerke Seite 21/26