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Dynamic Modeling of the PI3K/Akt Signal Transduction Pathway to Dissect the Distinct Cell Fate Decisions Triggered by PI3K/Akt Signaling in Hematopoietic System

She, Bin

German Title: Dynamische Modellierung des PI3K/Akt Signaltransductionswegs zur Untersuchung der durch diesen Signalwegs ausgelösten unterschiedlichen zellulären Entscheidungen im hämatopoetischen System

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Abstract

Eine zentrale Frage in der Zellbiologie ist, wie eine bestimmte Signalkaskade unterschiedliche zelluläre Effekte auslösen kann. Der Phosphatidylinositol 3-Kinase (PI3K)/Akt Signalweg vermittelt die Wirkung einer Vielzahl extrazellulärer Signale, die in verschiedenen zellulären Prozessen wie Zellzyklusprogression, Zellwachstum, Zelldifferenzierung und Zellüberleben eine Rolle spielen. Um zu untersuchen, wie die Akt-Signalverarbeitung das Schicksal einer Zelle bestimmen kann, wurde ein datenbasiertes mathematisches Modell des Erythropoetin-induzierten PI3K/Akt Signalweges in primären erythroiden Vorläuferzellen (colony-forming unit erythroid stage, CFU-E) und in der murinen BaF3-EpoR Zelllinie etabliert. Die Modellparameter wurden durch experimentell gemessene Konzentrationen der Signalwegskomponenten festgelegt beziehungsweise mittels Daten über die Aktivierungsdynamik von Akt unter unterschiedlichen Bedingungen geschätzt. Mit Hilfe des mathematischen Modells wurde die Stöchiometrie der Signalwegskomponenten als die wesentliche Ursache für die Zelltyp-spezifische Aktivierung von Akt identifiziert. Modellanalysen machten deutlich, dass die negativen Regulatoren PTEN und SHIP1 sowie die Isoformen des Gerüstproteins Gab die Aktivierungskinetik von Akt in den untersuchten hematopoietischen Zelltypen unterschiedlich beeinflussen. Durch eine quantitative Verknüpfung des Akt-Signals mit der Zellvermehrung konnte gezeigt werden, dass Akt-Aktivierung notwendig, aber nicht ausreichend ist, um die Zellvermehrung in den beiden Zelltypen vorherzusagen. Weitere Experimente verdeutlichten, dass Akt Zellwachstum und Zellzyklusprogression kontextspezifisch reguliert. In CFU-E-Zellen war das durch mTOR und GSK3 vermittelte Zellwachstum abhängig von Akt. In BaF3-EpoR-Zellen kontrollierte Akt die Aktivierung der mTOR-Kaskade jedoch nur teilweise, während die GSK3-Phosphorylierung unabhängig von Akt war. Zudem wurde der PI3K/Akt Signalweg als der Hauptweg für die Zellzyklusprogression in CFU-E-Zellen identifiziert, nicht jedoch in BaF3-EpoR-Zellen. In CFU-E-Zellen induzierte die Überexpression von PTEN einen Zellzyklus-Stopp in der G1-Phase, was mit erhöhten mRNA-Mengen der Zellzyklusinhibitoren p27kip1 und CyclinG2 korrelierte. Zusammenfassend ermöglichte die dynamische Modellierung des PI3K/Akt Signalweges einen Einblick in die quantitativen Mechanismen, durch welche die kontextabhängige Akt-Signaltransduktion mit Zellwachstum und Zellzyklusprogression gekoppelt sind. Die Menge der negativen Regulatoren PTEN und SHIP1 sowie die spezifische PI3K Aktivierung über die Gab-Isoformen führte zu einer Zelltyp-spezifischen Akt-Phosphorylierung. In primären CFU-E-Zellen unterdrückte der Tumorsupressor PTEN die Zellproliferation erheblich durch Koordination von Zellwachstum und Zellzyklus. In BaF3-EpoR-Zellen hingegen vermittelte PTEN nur eine schwache Inhibition des Zellwachstums, während die Zellzyklusprogression sich PTEN/Akt-unabhängig zeigte. Viele der Komponenten des PI3K/Akt Signalweges wurden mittlerweile in einer Vielzahl von humanen Krebsarten als mutiert oder in ihrer Menge verändert identifiziert, was die Schlüsselrolle dieses Signalweges in der zellulären Transformation verdeutlicht. Dieses mathematische Modell könnte eine Orientierung zur zielgerichteten Entwicklung effektiver therapeutischer Substanzen geben und genaue Vorhersagen über die Wirkung existierender Medikamente ermöglichen.

Translation of abstract (English)

A central issue in cell biology is how a particular signaling pathway can specifically trigger distinct cellular outcomes. The phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/Akt pathway mediates the effects of a variety of extracellular signals in a number of cellular processes including cell cycle progression, cell growth, differentiation and survival. To explore how distinct cell fate decisions are determined by PI3K/Akt signaling, a data-based mathematical model of erythropoietin (Epo)-induced PI3K/Akt signaling pathway in primary erythroid progenitor (colony-forming unit erythroid stage, CFU-E) and the factor-dependent murine BaF3-EpoR cell line was established. The mathematical model was constrained by experimental measured concentrations of signaling components and calibrated by various Akt dynamics under different conditions. With this modeling approach, the different stoichiometries of components were identified as the major cause for cell type-specific Akt activation. Model analyses delineated the differential role of negative regulators PTEN and SHIP1 as well as scaffold protein Gab isoforms in shaping Akt activation in different hematopoietic cell types. The quantitative link of the cellular Akt response to cell proliferation revealed that Akt activation is necessary but not sufficient to predict cell proliferation in both cell types. Further experiments revealed that Akt regulates cell growth and cell cycle progression in a context-dependent manner. Cell growth mediated by mTOR and GSK3 was Akt-dependent in CFU-E cells. However, in BaF3-EpoR cells the activation of mTOR pathway was only partially dependent on Akt while GSK3 phosphorylation was Akt-independent. Furthermore, the PI3K/Akt signaling pathway was identified as the major pathway regulating cell cycle progression in CFU-E cells, but not in BaF3-EpoR cells. In CFU-E cells, PTEN overexpression induced cell cycle arrest in the G1 phase, correlating with the increased mRNA levels of cell cycle inhibitors p27kip1 and cyclinG2. In conclusion, the dynamic modeling of PI3K/Akt pathway provided an insight of the quantitative mechanisms by which context-dependent PI3K/Akt signaling is linked to cell growth and cell cycle progression. The abundance of negative regulators PTEN and SHIP1 together with the isoform-specific Gab-mediated PI3K activation led to cell type-specific Akt activation. The tumor suppressor PTEN strongly suppressed cell proliferation in primary CFU-E cells, coordinating cell growth and cell cycle progression. In contrast, in BaF3-EpoR cells there was only a moderate suppression of cell growth mediated by PTEN, while cell cycle progression was PTEN/Akt-independent. To date, a number of the components of the PI3K/Akt pathway have been found mutated or altered in abundance in a wide variety of human cancers highlighting the key role of this pathway in cellular transformation. This mathematical model will provide guidance for the rational design of effective therapeutic molecules and facilitate accurate predictions of the effect of existing drugs.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klingmüller, Prof. Dr. Ursula
Date of thesis defense: 5 August 2011
Date Deposited: 05 Sep 2011 10:46
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Erythropoietin, Signaltransduktion, Mathematische Modellierung, Blutbildendes Gewebe
Uncontrolled Keywords: PI3K/Akt , PTEN/SHIP1, GSK3 , mTor erythropoietin , PI3K/Akt , mathematical modeling , hematopoietic system , PTEN/SHIP1
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