Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate

Thorough analysis of the fundamental molecular processes involved in a biological system is often too complex to be performed intuitively. Systems Biology comes to the rescue of these perplexed situations by adopting principles of mathematics, employing computational methods and benefiting from high...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Τασιούδη, Ευδοξία
Άλλοι συγγραφείς: Λυγερού, Ζωή
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14411
id nemertes-10889-14411
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Mathematical modelling
Stem cells
Μαθηματική μοντελοποίηση
Βλαστικά κύτταρα
571.843 77
spellingShingle Mathematical modelling
Stem cells
Μαθηματική μοντελοποίηση
Βλαστικά κύτταρα
571.843 77
Τασιούδη, Ευδοξία
Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate
description Thorough analysis of the fundamental molecular processes involved in a biological system is often too complex to be performed intuitively. Systems Biology comes to the rescue of these perplexed situations by adopting principles of mathematics, employing computational methods and benefiting from high-throughput, large-scale experiments. In this context, we have utilized bottom-up approaches of System’s Biology to study cell cycle control and the implication of central cell cycle regulators in fate decisions. In the first part of the thesis, harnessing the Quantitative model for CDK activity proposed by Stern and Nurse, we formulated a mathematical model with probabilistic features and applied single live cell fluorescent microscopy to collect additional data. Initially, we extracted publicly available data in non-tumorigenic cells regarding a biosensor that’s fluorescent intensity is a read out for CDK activity throughout the cell cycle, therefore providing us with single cell CDK activity measurements over time. By using this data, we tested if we could explain CDK activity build up during the G1 and S phase progression in a linear manner. Moreover, by considering the inherent noise of biological systems, each parameter implicated in the mathematical model was represented by a probability distribution. Also, by analysing some aspects of the model, and considering published knowledge we could estimate the timing of S phase onset in a population of cells. The second half of this project was on generating a cancer cell line stably expressing this CDK activity sensor and an additional marker of G1/S phase progression (Cdt1:GFP). Monitoring these cells over time by time-lapse fluorescent microscopy and employing image processing techniques we could obtain single cell quantitative data for CDK activity and Cdt1:GFP. Through this workflow, we could examine the CDK activity threshold at the onset of S-phase and the exact timing of this entry for distinct cells. Combining the simulated and experimental results we could observe a similar pattern in CDK activity build up, despite the difference in the timing of S phase. In the second part of the thesis, the published proposed biological model of multiciliogenesis fate determination was examined in a mechanistic manner. Primarily, we constructed a simple continuous dynamic model based on mass action formalism. Each biological entity involved was represented by a production and degradation rate. By using data from experimental set-ups for each central regulator implicated in multiciliogenesis and employing global optimization algorithms we could compensate for the unknown parameter values. Restricted only to the interaction of Geminin and GemC1/Lynkeas, which are the primary factors of establishing the multiciliogenesis fate determination, we observed a missing determinant. This suggested either a misinterpretation of the structure of our mathematical equations or an extra element needed to explain the biological behaviour. However, driven by experiments in our laboratory, suggested an additional negative regulator on GemC1/Lynkeas. Adding this negative regulator to our system, we could capture the trend of GemC1/Lynkeas, thus highlightening a gap in understanding of the biological model.
author2 Λυγερού, Ζωή
author_facet Λυγερού, Ζωή
Τασιούδη, Ευδοξία
format Thesis
author Τασιούδη, Ευδοξία
author_sort Τασιούδη, Ευδοξία
title Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate
title_short Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate
title_full Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate
title_fullStr Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate
title_full_unstemmed Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate
title_sort modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14411
work_keys_str_mv AT tasioudēeudoxia modellingthecellcycleandthedecisionofstemcellstodifferentiate
AT tasioudēeudoxia montelopoiēsētoukyttarikoukykloukaitēsapophasēsprosdiaphoropoiēsētōnblastikōnkyttarōn
_version_ 1771297132243845120
spelling nemertes-10889-144112022-09-05T05:00:21Z Modelling the cell cycle and the decision of stem cells to differentiate Μοντελοποίηση του κυτταρικού κύκλου και της απόφασης προς διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων Τασιούδη, Ευδοξία Λυγερού, Ζωή Ταραβήρας, Σταύρος Καλόσακας, Γεώργιος Tasioudi, Evdoxia Mathematical modelling Stem cells Μαθηματική μοντελοποίηση Βλαστικά κύτταρα 571.843 77 Thorough analysis of the fundamental molecular processes involved in a biological system is often too complex to be performed intuitively. Systems Biology comes to the rescue of these perplexed situations by adopting principles of mathematics, employing computational methods and benefiting from high-throughput, large-scale experiments. In this context, we have utilized bottom-up approaches of System’s Biology to study cell cycle control and the implication of central cell cycle regulators in fate decisions. In the first part of the thesis, harnessing the Quantitative model for CDK activity proposed by Stern and Nurse, we formulated a mathematical model with probabilistic features and applied single live cell fluorescent microscopy to collect additional data. Initially, we extracted publicly available data in non-tumorigenic cells regarding a biosensor that’s fluorescent intensity is a read out for CDK activity throughout the cell cycle, therefore providing us with single cell CDK activity measurements over time. By using this data, we tested if we could explain CDK activity build up during the G1 and S phase progression in a linear manner. Moreover, by considering the inherent noise of biological systems, each parameter implicated in the mathematical model was represented by a probability distribution. Also, by analysing some aspects of the model, and considering published knowledge we could estimate the timing of S phase onset in a population of cells. The second half of this project was on generating a cancer cell line stably expressing this CDK activity sensor and an additional marker of G1/S phase progression (Cdt1:GFP). Monitoring these cells over time by time-lapse fluorescent microscopy and employing image processing techniques we could obtain single cell quantitative data for CDK activity and Cdt1:GFP. Through this workflow, we could examine the CDK activity threshold at the onset of S-phase and the exact timing of this entry for distinct cells. Combining the simulated and experimental results we could observe a similar pattern in CDK activity build up, despite the difference in the timing of S phase. In the second part of the thesis, the published proposed biological model of multiciliogenesis fate determination was examined in a mechanistic manner. Primarily, we constructed a simple continuous dynamic model based on mass action formalism. Each biological entity involved was represented by a production and degradation rate. By using data from experimental set-ups for each central regulator implicated in multiciliogenesis and employing global optimization algorithms we could compensate for the unknown parameter values. Restricted only to the interaction of Geminin and GemC1/Lynkeas, which are the primary factors of establishing the multiciliogenesis fate determination, we observed a missing determinant. This suggested either a misinterpretation of the structure of our mathematical equations or an extra element needed to explain the biological behaviour. However, driven by experiments in our laboratory, suggested an additional negative regulator on GemC1/Lynkeas. Adding this negative regulator to our system, we could capture the trend of GemC1/Lynkeas, thus highlightening a gap in understanding of the biological model. Η ακριβής και ενδελεχής ανάλυση θεμελιωδών μοριακών μηχανισμών που εμπλέκονται σε ένα βιολογικό φαινόμενο είναι συχνά πολύπλοκη ώστε να πραγματοποιηθεί διαισθητικά. Η Βιολογία Συστημάτων έρχεται να ξεδιαλύνει αυτές τις καταστάσεις, υιοθετώντας μαθηματικές αρχές, χρησιμοποιώντας υπολογιστικές μεθόδους και επωφελούμενη από υψηλής απόδοσης και μεγάλης κλίμακας πειράματα. Σε αυτό το πλαίσιο, εφαρμόσαμε προσεγγίσεις της Βιολογίας Συστημάτων για να μελετήσουμε τον κυτταρικό κύκλο και τον ρόλο που έχουν κεντρικοί ρυθμιστές του κυτταρικού κύκλου σε αποφάσεις διαφοροποίησης. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας, στηριζόμενοι στο ποσοτικό μοντέλο της ενεργότητας της κυκλινοεξαρτώμενης κινάσης (CDK), που προτάθηκε από τον Nurse και τον Stern, κατασκευάσαμε ένα μαθηματικό μοντέλο με πιθανοτικά χαρακτηριστικά και εφαρμόσαμε τεχνικές λειτουργικής μικροσκοπίας σε ζωντανά κύτταρα για την συλλογή πρόσθετων δεδομένων. Αρχικά, εκμαιεύσαμε βιβλιογραφικά δεδομένα από μη-καρκινικά κύτταρα που αφορούσαν έναν βιοδείκτη, η ένταση φθορισμού του οποίου είναι ενδεικτική μέτρηση της ενεργότητας των CDK κατά την διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Τα δεδομένα αυτά μας έδωσαν την δυνατότητα να έχουμε μετρήσεις τις πρωτεΐνης που μας ενδιέφερε κατά τη διάρκεια του χρόνου. Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα, εξετάσαμε αν θα μπορούσαμε με ένα γραμμικό μαθηματικό μοντέλο να περιγράψουμε την σταδιακή αύξησης των CDK από τη μετάβαση της G1 φάσης στην S φάση. Λαμβάνοντας υπ’όψιν τον εγγενή θόρυβο των βιολογικών συστημάτων, κάθε εμπλεκόμενη παράμετρος αντιπροσωπεύετε από μια κατανομή πιθανότητας. Επίσης, αναλύοντας κάποια από τα χαρακτηριστικά του μοντέλου μπορέσαμε να εκτιμήσουμε τον μέσο χρόνο εισόδου των κυττάρων στην S φάση. Στη συνέχεια, δημιουργήσαμε μια καρκινική σειρά που εξέφραζε σταθερά τον βιοδείκτη της ενεργότητας των CDK καθώς και έναν δείκτη για την αναγνώρισης της εξέλιξης των G1 και S φάσεων (Cdt1:GFP). Μέσω πειραμάτων λειτουργικής μικροσκοπίας για την παρατήρηση μοναδιαίων κυττάρων για 24 ώρες και αναλύοντας αυτά τα πειράματα με τεχνικές επεξεργασίας εικόνας, εξασφαλίσαμε ποσοτικά δεδομένα για την δραστικότητα των CDK και του δείκτη Cdt1:GFP. Μέσω της συγκεκριμένης ροής εργασίας, εξετάσαμε το κατώφλι στο οποίο πρέπει να φθάσουν τα επίπεδα των CDK καθώς και τη χρονική διάρκεια της G1 φάσης για την έναρξη της S φάσης. Συνδυάζοντας τα προσομοιωμένα και τα πειραματικά αποτελέσματα παρατηρήσαμε ένα παρεμφερές μοτίβο στη συσσώρευση των ενεργών CDK και στα δύο είδη κυττάρων, παρά τη διαφορά στην διάρκεια της G1 φάσης. Στο δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας, εξετάσαμε με μαθηματική μοντελοποίηση το προτεινόμενο βιολογικό μοντέλο διαφοροποίησης των πολυκροσσωτών κυττάρων. Αρχικά, κατασκευάσαμε ένα απλό, συνεχές δυναμικό μοντέλο βασισμένο στο νόμο μαζικής δράσης. Κάθε συμμετέχουσα πρωτεΐνη αντιπροσωπεύετε από έναν ρυθμό παραγωγής και αποικοδόμησης. Χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα για κάθε παράγοντα που εμπλέκεται και χρησιμοποιώντας αλγόριθμους ολικής βελτιστοποίησης μπορέσαμε να υπολογίσουμε τις άγνωστες τιμές των παραμέτρων. Περιοριζόμενοι μόνο στην Geminin και στον GemC1/Lynkea, οι οποίοι είναι αρχικοί παράγοντες στην διαδικασία της απόφασης προς διαφοροποίησης των πολυκροσσοτών κυττάρων, δεν μπορούσαμε να παρατηρήσουμε την επιθυμητή βιολογική συμπεριφορά. Αυτό υποδηλώνει είτε λανθασμένη κατασκευή των εξισώσεών μας είτε έλλειψη ενός πρόσθετου στοιχείου για να εξηγήσει την βιολογική συμπεριφορά. Με γνώμονα πειράματα που έχουν πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο μάς, αποφασίσαμε να προσθέσουμε έναν αρνητικό ρυθμιστή στο σύστημα των διαφορικών εξισώσεων. Προσθέτοντας αυτόν τον αρνητικό ρυθμιστή, μπορέσαμε να καταγράψουμε την τάση του GemC1 / Lynkeas, επισημαίνοντας έτσι ένα κενό στην κατανόηση του βιολογικού μοντέλου. 2021-01-05T07:01:02Z 2021-01-05T07:01:02Z 2017-07-01 Thesis http://hdl.handle.net/10889/14411 en 6 application/pdf