Das Magazin - Ausgabe 03 - Systembiologie

Abbildung 2: Lasermikroskopie zur Messung von Teilchenbewegungen in der Zelle
Schematische Darstellung eines „Fluoreszenz Recorvery After Photobleaching“ (FRAP) Experiments. Zu Beginn des Experiments wird in einem lokalisierten Bereich die Fluoreszenz
der beobachteten Teilchen durch einen Hochintensitätslaserstrahl unwiederbringlich zerstört. Die in diesem Bereich über die Zeit wieder zunehmende Fluoreszenz gibt Aufschluß
über die Bewegungs- und Reaktionseigenschaften der beobachteten fluoreszenten Teilchen.
Bild: UFZ
Resultat der Beeinflussung eines Signalweges, sondern basiert immer
auf der Beeinflussung mehrer Signalwege. Welche Folgen hat die
Bindung des Rezeptor-Ligand-Komplexes an der DNA auf die Gen- und
Proteinregulation? Welche Signalwege werden dadurch beeinflusst?
Welche Folgen hat das für den Phänotyp der Zelle? Mit molekularbiologischen
Verfahren werden zunächst genomweit die Bindungsstellen
des Rezeptors an der DNA und deren Strukturveränderungen detektiert.
Kombiniert mit den Informationen über die differenziell
regulierten Gene und Proteine sowie einem speziellen Phänotyp (z. B.
Adhäsionsverlust oder Zelltod) liefert dies die Grundlage für die
Extraktion der essentiellen Komponenten zur Beschreibung und
Vorhersage der zellulären Antwort. Wie aber sind diese einzelnen
Bestandteile miteinander verbunden? Um diese Frage zu beantworten
kann eine neu entwickelte Methode zur Modellierung von
Gen- und Proteinnetzwerken basierend auf Zhegalkin Polynomen
verwendet werden (Faisal et al., 2010). Diese spezielle Art von
Polynomen ermöglicht die Anwendung kontinuierlicher Optimierungsmethoden
auch bei diskreten Daten, wie beispielsweise Gen- und
Proteinexpressionskinetiken.
Modelintegration macht Effektvorhersage möglich
Ausgehend von den Informationen der dynamischen Schadstoff/
Rezeptor Interaktion, sowie der Identifikation der essentiellen
Komponenten auf Gen- und Proteinebene kann nun ein integriertes
Vorhersagemodell aufgebaut werden, das konzentrations- und
zeitabhängige Effekte auf zellulärer Ebene vorhersagt. Da nicht nur
Umweltchemikalien sondern auch endogene Metabolite, die
Abbildung 3: Modell und Beobachtung im Einklang
Simulationen in dreidimensionalen realen Zellgeometrien veranschaulichen die Aufnahme und Verteilung des Schadstoffes und dessen Interaktion mit dem Arylhydrocarbon
Rezeptor (A-C), wie sie in lebenden Zellen beobachtet werden können (D). Rekonstruierte Zelle mit Zellkern und schadstoffaufnehmenden intrazellulären Strukturen (A), Simulation
unmittelbar nach Schadstoffzugabe (B), nach 1 stündiger Schadstoffexposition (C), übereinstimmend mit der Situation in reale Zelle nach 1 stündiger Benzo(a)pyren Exposition
(gelb), Arylhydrocarbon Rezeptor (grün) (D).
Bild: UFZ
49