Gemischte Modelle zur Identifizierung zellulärer Kommunikation

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Hauke Busch; Professorin Dr. Melanie Börries; Professor Dr. Fabian Theis
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 214416364

In einem multizellulärem Organismus sind Gewebehomöostase und Zellfunktion durch die lokale Umgebung definiert, die sich aus extazellulärer Matrix und umgebenden Zellen zusammensetzt. Zellen kommunizieren mittels löslicher Faktoren, die Zytokine genannt werden. Die relativen Konzentrationen dieser Zytokine definiert komplexe Eingangssignale auf die eine Zelle mittels zeitlich paralleler oder sequentieller Aktivierung verschiedener Proteinsignalwege und Gene reagiert, und die so eine Änderung in der Zellhomeostase beziehungsweise Zellverhalten hervorrufen können. Im Allgemeinen kommunizieren Zellen mittels doppelt parakriner Rückkopplung zytokiner Signale, bei der verschiedene Zytokine mit den Zellen interagieren, so Signale aufgenommen, verarbeitet und wieder - in Form von neu sekretierten Zytokinen - ausgesandt werden. Experimentell ist es möglich, sowohl Zytokinein und -ausgangssignale, als auch die Gesamtantwort der Zelle auf Genexpresionsebene zu messen. Die innerzelluläre Verarbeitung dieser Signale konnte bisher noch nicht enschlüsselt werden, d.h. über das Verhältnis von Zytokinstimulation und entsprechender Genantwort ist bisher wenig bekannt. Dies erschwert die Entwicklung prädiktiver mathematischer Modelle zellulären Verhaltens. Dieser Antrag hat das Ziel, bisherige Netzwerkmodelle mit Methoden der gemischten Modelle und statistischer Analyse von Modellfehlern zu kombinieren, um die synergistischen Effekte multipler Stimulation mathematisch zu fassen und sukzessiv biologisch zu identifizieren. Dabei soll die Komplexität der experimentellen und mathematischen Modelle, von einem einzelnen Stimulus auf eine Zelle ausgehend, schrittweise bis zu doppelt parakriner Kommunikation zweier Zellen erhöht wird. Das letztendliche Ziel wird es sein, diejenigen Signalprozesse zu identifizieren, die Zellhomöostase definieren und zellulärer Entscheidungen kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1395: Informations- und Kommunikationstheorie in der Molekularbiologie (InKoMBio)