Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage

Computational models are used for simulation of biological processes in order to verify a hypothesis or to better describe and understand complex biological phenomena. Combined with quantitative experimental data, computational models allow the extraction of valuable information about interactions t...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Σιδέρης, Εμμανουήλ
Άλλοι συγγραφείς: Sideris, Emmanouil
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2020
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14338
id nemertes-10889-14338
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Stochastic hybrid modeling
Switching diffusion
Protein recruitment
DNA damage
Particle based model
Protein accumulation
DNA damage response
Στοχαστικά υβριδικά μοντέλα
Συσσώρευση πρωτεϊνών
Βλάβη DNA
spellingShingle Stochastic hybrid modeling
Switching diffusion
Protein recruitment
DNA damage
Particle based model
Protein accumulation
DNA damage response
Στοχαστικά υβριδικά μοντέλα
Συσσώρευση πρωτεϊνών
Βλάβη DNA
Σιδέρης, Εμμανουήλ
Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage
description Computational models are used for simulation of biological processes in order to verify a hypothesis or to better describe and understand complex biological phenomena. Combined with quantitative experimental data, computational models allow the extraction of valuable information about interactions that determine biological function at the level of molecules, cells, organisms or populations. Aim of this project is the modeling of protein recruitment in specific regions in the nucleus, as a response of DNA damage. When DNA lesions occur, special proteins are accumulating in the region in order to identify and repair the lesion and coordinate cellular response. Here, a stochastic hybrid model is constructed, capable to simulate the protein accumulation in a specified region of the nucleus. This is achieved through the use of a three-dimensional ellipsoid model of the nucleus, into which proteins are modeled as point particles whose movement obeys stochastic hybrid equations. Main element in the model is the appearance of additional binding sites for the proteins in a predefined region in the nucleus, through increased immobilization probability in the region at some specified time during the simulation. This thesis is divided in two parts: Firstly, by using the model the most important parameters and conditions affecting the protein accumulation are investigated. In the second part model results are compared with experimental data. Observation of the cellular response to DNA damage is allowed through the use of functional microscopy experiments. By using image analysis, quantitative data regarding the accumulation of multiple proteins in time can be obtained. Comparing experimental data and in silico results elucidates the kinetic properties of the proteins taking part in DNA damage response and provide quantitative information about the nature of the interactions in different conditions. This comparison is achieved by constructing a parameter identification method, through which theoretical parameters are calculated for different experiments based on the aforementioned microscopy data.
author2 Sideris, Emmanouil
author_facet Sideris, Emmanouil
Σιδέρης, Εμμανουήλ
author Σιδέρης, Εμμανουήλ
author_sort Σιδέρης, Εμμανουήλ
title Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage
title_short Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage
title_full Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage
title_fullStr Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage
title_full_unstemmed Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage
title_sort stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of dna damage
publishDate 2020
url http://hdl.handle.net/10889/14338
work_keys_str_mv AT siderēsemmanouēl stochastichybridmodelingofproteinrecruitmenttositesofdnadamage
AT siderēsemmanouēl prosomoiōsēmestochastikaybridikamontelatēsstratologēsēsprōteïnōnmetaapoblabēstodna
_version_ 1771297210319765504
spelling nemertes-10889-143382022-09-05T11:17:10Z Stochastic hybrid modeling of protein recruitment to sites of DNA damage Προσομοίωση με στοχαστικά υβριδικά μοντέλα της στρατολόγησης πρωτεϊνών μετά από βλάβη στο DNA Σιδέρης, Εμμανουήλ Sideris, Emmanouil Stochastic hybrid modeling Switching diffusion Protein recruitment DNA damage Particle based model Protein accumulation DNA damage response Στοχαστικά υβριδικά μοντέλα Συσσώρευση πρωτεϊνών Βλάβη DNA Computational models are used for simulation of biological processes in order to verify a hypothesis or to better describe and understand complex biological phenomena. Combined with quantitative experimental data, computational models allow the extraction of valuable information about interactions that determine biological function at the level of molecules, cells, organisms or populations. Aim of this project is the modeling of protein recruitment in specific regions in the nucleus, as a response of DNA damage. When DNA lesions occur, special proteins are accumulating in the region in order to identify and repair the lesion and coordinate cellular response. Here, a stochastic hybrid model is constructed, capable to simulate the protein accumulation in a specified region of the nucleus. This is achieved through the use of a three-dimensional ellipsoid model of the nucleus, into which proteins are modeled as point particles whose movement obeys stochastic hybrid equations. Main element in the model is the appearance of additional binding sites for the proteins in a predefined region in the nucleus, through increased immobilization probability in the region at some specified time during the simulation. This thesis is divided in two parts: Firstly, by using the model the most important parameters and conditions affecting the protein accumulation are investigated. In the second part model results are compared with experimental data. Observation of the cellular response to DNA damage is allowed through the use of functional microscopy experiments. By using image analysis, quantitative data regarding the accumulation of multiple proteins in time can be obtained. Comparing experimental data and in silico results elucidates the kinetic properties of the proteins taking part in DNA damage response and provide quantitative information about the nature of the interactions in different conditions. This comparison is achieved by constructing a parameter identification method, through which theoretical parameters are calculated for different experiments based on the aforementioned microscopy data. Υπολογιστικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση βιολογικών διεργασιών, με στόχο την επαλήθευση μιας υπόθεσης ή την πληρέστερη περιγραφή και κατανόηση πολύπλοκων βιολογικών φαινομένων. Συνδυαζόμενα με ποσοτικά πειραματικά δεδομένα, τα υπολογιστικά μοντέλα επιτρέπουν την εξαγωγή πολύτιμης πληροφορίας για τις αλληλεπιδράσεις που καθορίζουν τη βιολογική λειτουργία σε επίπεδο μορίων, κυττάρων, οργανισμών ή πληθυσμών. Στόχος της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μοντελοποίηση της στρατολόγησης πρωτεϊνών σε συγκεκριμένες περιοχές του πυρήνα, ως απόκριση σε βλάβη στο DNA. Όταν το γενετικό υλικό υφίσταται βλάβη, ειδικές πρωτεΐνες στρατολογούνται στην περιοχή με σκοπό την αναγνώριση και επιδιόρθωση της βλάβης και σηματοδότηση της κυτταρικής απόκρισης. Για την επίτευξη αυτής της μοντελοποίησης δημιουργήθηκε ένα στοχαστικό υβριδικό μοντέλο που προσομοιώνει την συσσώρευση πρωτεϊνικών μορίων σε μια συγκεκριμένη περιοχή του κυτταρικού πυρήνα. Η μοντελοποίηση πραγματοποιείται μέσω της χρήσης υπολογιστικού τρισδιάστατου μοντέλου του πυρήνα, εντός του οποίου κινούνται οι πρωτεΐνες και μοντελοποιούνται ως σημειακά σωματίδια που υπακούν σε υβριδικές στοχαστικές εξισώσεις. Κύριο στοιχείο της μοντελοποίησης είναι η εμφάνιση επιπλέον θέσεων δέσμευσης για τις πρωτεΐνες σε μια εξ αρχής ορισμένη περιοχή του τρισδιάστατου πυρήνα, υπό τη μορφή αυξημένης πιθανότητας ακινητοποίησης, κάποια χρονική στιγμή κατά την προσομοίωση. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε δύο μέρη: Αρχικά, μέσω της χρήσης του μοντέλου διερευνόνται οι πιο σημαντικές παράμετροι και συνθήκες που επηρεάζουν την συσσώρευση των πρωτεϊνών και κατόπιν γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων του μοντέλου με πειραματικά δεδομένα. Πειράματα λειτουργικής μικροσκοπίας επιτρέπουν την παρατήρηση της κυτταρικής απόκρισης μετά από δημιουργία θραύσεων στο DNA ζωντανών κυττάρων με χρήση παλλόμενου laser και παρατήρηση συγκεκριμένων πρωτεϊνών στο χρόνο με μικροσκοπία φθορισμού (time lapse). Ανάλυση εικόνας επιτρέπει την ποσοτική εκτίμηση της κινητικής συσσώρευσης διαφορετικών πρωτεϊνών στην περιοχή της βλάβης στο χρόνο. Η σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με τα δεδομένα που προκύπτουν in silico μέσω προσομοίωσης επιτρέπουν την ανάδειξη των κινητικών ιδιοτήτων των πρωτεϊνών που συμμετέχουν στην κυτταρική απόκριση σε βλάβη και παρέχουν ποσοτική πληροφορία για τη φύση των αλληλεπιδράσεων υπό διαφορετικές συνθήκες. Η σύγκριση επιτυγχάνεται μέσω της ανάπτυξης μιας αναλυτικής μεθόδου για την εύρεση των θεωρητικών παραμέτρων σε κάθε περίπτωση. 2020-12-08T15:03:13Z 2020-12-08T15:03:13Z 2020-02-13 http://hdl.handle.net/10889/14338 en application/pdf