Смоделируйте трассу регуляции генов

О модели регуляции генов

Диаграмма модели

Можно визуализировать модель системной биологии с различными уровнями детализации. Эскизы представления только главные разновидности и процессы. Эта модель является примером простой регуляции генов, где продукт белка от перевода управляет записью. Вы могли создать более сложную модель путем добавления ферментов, коэнзимов, кофакторов, нуклеотидов и аминокислот, которые не включены в эту модель. Пример регуляции генов упрощает регулирующий механизм, не показывая вклады полимеразы RNA и любых кофакторов. Продукт белка от экспрессии гена связывает с регулирующей областью на ДНК и подавляет запись.

Другой способ посмотреть на модель системной биологии состоит в том, чтобы перечислить реакции в модели с процессами, которые они представляют.

DNA -> DNA + mRNA            		(transcription)
mRNA -> mRNA + protein       		(translation)
DNA + protein -> DNAProteinComplex 	(binding)
DNAProteinComplex -> DNA + protein 	(unbinding)
mRNA -> null                 		(degradation)
protein -> null              		(degradation)

Рисование трасс реакции поможет вам визуализировать отношения между реакциями и разновидностями. В примере регуляции генов, когда сумма белка увеличивается, белок формирует комплекс с геном, ответственным за его выражение, и замедляет производство белка.

Реакции модели

Уравнения реакции задают модель системной биологии в уровне детализации, необходимом для программы, чтобы симулировать динамическое поведение модели. Следующие реакции для записи, перевод, привязка и ухудшение описывают простой регулирующий ген механизм.

Запись.  Запись - то, где RNApolymerase и кофакторы связывают с Молекулой ДНК. RNApolymerase затем проходит ДНК и комбинирует нуклеотиды, чтобы создать mRNA. Простая модель записи показывает только ДНК и mRNA.

Эта модель упрощает запись и синтез mRNA при помощи одной реакции.

РеакцияDNA -> DNA + mRNA
Скорость реакцииv = k1 * DNA молекула/секунда
РазновидностиDNA= 50 молекула
mRNA= 0 молекула
Параметрыk1= 0.20 второй-1

Перевод.  После того, как mRNA перемещается от ядра до цитоплазмы, это может связать с рибосомами. Рибосомы проходят mRNA и создают белки с помощью тРНК, связанных с аминокислотами. Простая модель перевода показывает только продукт белка и mRNA.

Синтез белка моделируется как одна реакция.

РеакцияmRNA -> mRNA + protein
Скорость реакцииv = k2 * mRNA молекула/секунда
РазновидностиmRNA= 0 молекула
protein= 0 молекула
Параметрыk2= 20 второй-1

Генная Репрессия.  Запись ДНК к mRNA отрегулирована привязкой продукта белка от перевода до ДНК. Когда больше белка производится, ДНК связывается с белком чаще, и меньше времени доступно для записи с несвязанной ДНК.

Прямая реакция (привязка)

РеакцияDNA + protein -> DNAProteinComplex
Скорость реакцииv = k3 * DNA * protein молекула/секунда
РазновидностиDNA= 50 молекула
protein= 0 молекула
Параметрыk3= 0.2 1/(molecule*second)

Противоположная реакция (развязывание)

РеакцияDNAProteinComplex -> DNA + protein
Скорость реакцииv = k3r * DNA_protein молекула/секунда
РазновидностиDNAProteinComplex= 0 молекула
Параметрыk3r= 1 второй-1

Для этого примера смоделируйте привязку и развязывание реакций как одна обратимая реакция.

РеакцияDNA + protein <-> DNA_protein
Скорость реакцииv = k3 * DNA * protein - k3r * DNA_protein молекула/секунда
РазновидностиDNA= 50 молекула
protein= 0 молекула
Параметры k3= 0.2 1/(second*molecule)
k3r= 1 второй-1

Ухудшение.  Белок и mRNA ухудшение являются важными реакциями для регулирования экспрессии гена. Установившийся уровень этих составных объектов обеспечен балансом между реакциями ухудшения и синтезом. Белки гидролизируются к аминокислотам с помощью протеаз, и нуклеиновые кислоты ухудшаются к нуклеотидам.

ухудшение mRNA моделируется как преобразование к null разновидности.

РеакцияmRNA -> null
Скорость реакцииv = k4 * mRNA молекула/секунда
РазновидностиmRNA= 0 молекула
Параметрыk4= 1.5 второй-1

Аналогично, ухудшение белка также моделируется как преобразование к null разновидности. Разновидности null предопределенное имя разновидностей в SimBiology® модели.

Реакцияprotein -> null
Скорость реакцииv = k5 * protein молекула/секунда
Разновидностиprotein= 0 молекула
Параметрыk5= 1 второй-1

Создайте модель SimBiology

Модель SimBiology является набором объектов, которые структурированы иерархически. Объект модели необходим, чтобы содержать все другие объекты.

  1. Создайте модель SimBiology с именем cell. 

    Mobj = sbiomodel('cell')
    Mobj = 
   SimBiology Model - cell 

   Model Components:
     Compartments:      0
     Events:            0
     Parameters:        0
     Reactions:         0
     Rules:             0
     Species:           0
     Observables:       0

  2. Добавьте отсек под названием comp к модели и набору единица способности отсека.

    compObj = addcompartment(Mobj,'comp');
compObj.CapacityUnits = 'liter';

Добавьте реакцию для записи

  1. Добавьте реакцию DNA -> DNA + mRNA к модели. SimBiology автоматически добавляет разновидности DNA и mRNA к модели с начальной суммой по умолчанию 0.

    Robj1 = addreaction(Mobj,'DNA -> DNA + mRNA');

    Примечание

    Поскольку этот пример имеет только один отсек, вы не должны задавать отсек, которому принадлежит каждая разновидность. Если существует несколько отсеков, вот пример синтаксиса реакции: 

    Robj1 = addreaction(Mobj, 'nucleus.DNA -> nucleus.DNA + cytoplasm.mRNA');
    nucleus и cytoplasm имена отсеков.

  2. Отобразите добавленные разновидности модели.

    Mobj.Species
    ans = 
   SimBiology Species Array

   Index:    Compartment:    Name:    Value:    Units:
   1         comp            DNA      0               
   2         comp            mRNA     0

  3. Установите начальную сумму DNA к 50 также модули суммы для обеих разновидностей.

    Mobj.Species(1).InitialAmount       = 50;
Mobj.Species(1).InitialAmountUnits  = 'molecule';
Mobj.Species(2).InitialAmountUnits  = 'molecule';

  4. Задайте кинетику реакции быть массовой акцией путем создания массовой акции кинетический объект закона, Kobj1.

    Kobj1 = addkineticlaw(Robj1,'MassAction');

    Для необратимой реакции, MassAction кинетика задает выражение скорости реакции как forward rate constant * reactants.

  5. Кинетический закон служит картой между параметрами и разновидностями, необходимыми выражению скорости реакции и параметрам и разновидностям в модели. Чтобы видеть параметры и разновидности, которые должны быть сопоставлены, получите ParameterVariables и SpeciesVariables свойства Kobj1.

    Kobj1.ParameterVariables
    ans = 1x1 cell array
    {'Forward Rate Parameter'}


    Kobj1.SpeciesVariables
    ans = 1x1 cell array
    {'MassAction Species'}

  6. Поскольку кинетический закон требует параметра форвардного курса, создайте параметр, k1, и установленный его значение к 0.2. Сопоставьте параметр k1 к параметру форвардного курса, путем установки ParameterVariablesNames свойство Kobj1 к k1.

    Pobj1               = addparameter(Kobj1,'k1');
Pobj1.Value         = 0.2;
Pobj1.ValueUnits    = '1/second';
Kobj1.ParameterVariableNames = 'k1';

  7. Для кинетики действующих масс, SpeciesVariables автоматически присвоены разновидностям реагента. Поэтому SpeciesVariablesNames свойство Kobj1 автоматически установлен в DNA. Выражение скорости реакции теперь задано можно следующим образом.

    Robj1.ReactionRate
    ans = 
'k1*DNA'

Добавьте реакцию для перевода

Простая модель перевода показывает только продукт белка и mRNA. Для получения дополнительной информации смотрите Перевод.

  1. Введите реакцию mRNA -> mRNA + protein и набор его кинетический закон к массовой акции. Также установите модуль суммы разновидностей protein.

    Robj2 = addreaction(Mobj,'mRNA -> mRNA + protein');
Mobj.Species(3).InitialAmountUnits = 'molecule';
Kobj2 = addkineticlaw(Robj2,'MassAction');

  2. Задайте скорость реакции постоянный k2 для реакции.

    Pobj2               = addparameter(Kobj2,'k2');
Pobj2.Value         = 20;
Pobj2.ValueUnits    = '1/second';
Kobj2.ParameterVariableNames = 'k2';

  3. Скорость реакции теперь задана можно следующим образом.

    Robj2.ReactionRate
    ans = 
'k2*mRNA'

Добавьте реакцию для регуляции генов

Запись ДНК к mRNA отрегулирована привязкой продукта белка от перевода до ДНК. Когда больше белка производится, ДНК связывается с белком чаще, и меньше времени доступно для записи с несвязанной ДНК. Для получения дополнительной информации смотрите Генную Репрессию.

  1. Введите обратимую реакцию для привязки и развязывания ДНК и белка. Добавьте параметр k3 как постоянный форвардный курс, и k3r как противоположная константа скорости.

    Robj3 = addreaction(Mobj,'DNA + protein <-> DNAProteinComplex');
Mobj.Species(4).InitialAmountUnits = 'molecule';
Kobj3 = addkineticlaw(Robj3,'MassAction');
Pobj3 = addparameter(Kobj3,'k3','Value',0.2,'ValueUnits','1/(molecule*second)');
Pobj3r = addparameter(Kobj3,'k3r','Value',1.0,'ValueUnits','1/second');
Kobj3.ParameterVariableNames = {'k3','k3r'};

  2. Отобразите скорость реакции.

    Robj3.ReactionRate
    ans = 
'k3*DNA*protein - k3r*DNAProteinComplex'

Добавьте Реакции для Ухудшения Белка и mRNA

Белок и mRNA ухудшение являются важными реакциями для регулирования экспрессии гена. Установившийся уровень составных объектов обеспечен балансом между реакциями ухудшения и синтезом. Белки гидролизируются к аминокислотам с помощью протеаз, в то время как нуклеиновые кислоты ухудшаются к нуклеотидам.

  1. Введите реакцию для mRNA ухудшения к нуклеотидам. Добавьте параметр k4 как постоянный форвардный курс.

    Robj4 = addreaction(Mobj,'mRNA -> null');
Kobj4 = addkineticlaw(Robj4, 'MassAction');
Pobj4 = addparameter(Kobj4,'k4','Value',1.5,'ValueUnits','1/second');
Kobj4.ParameterVariableNames = 'k4';

  2. Отобразите скорость реакции mRNA ухудшения.

    Robj4.ReactionRate
    ans = 
'k4*mRNA'

  3. Введите реакцию для ухудшения белка к аминокислотам. Добавьте параметр k5 как форвардный курс, постоянный для реакции.

    Robj5 = addreaction(Mobj,'protein -> null');
Kobj5 = addkineticlaw(Robj5,'MassAction');
Pobj5 = addparameter(Kobj5,'k5','Value',1.0,'ValueUnits','1/second');
Kobj5.ParameterVariableNames = 'k5';

  4. Отобразите скорость реакции ухудшения белка.

    Robj5.ReactionRate
    ans = 
'k5*protein'

Симулируйте модель

Симулируйте модель, чтобы видеть ее динамическое поведение.

  1. Сначала включите дополнительную модульную функцию преобразования. Эта функция автоматически преобразовывает единицы физических количеств в одну сопоставимую систему. Это преобразование при подготовке к правильной симуляции, но суммы разновидностей возвращены в модуле, который вы задали (molecule в этом примере).

    configset = getconfigset(Mobj);
configset.CompileOptions.UnitConversion = true;

  2. Запустите симуляцию.

    [t, simdata, names] = sbiosimulate(Mobj);

  3. Постройте график результатов.

    plot(t,simdata)
legend(names,'Location','NorthEastOutside')
title('Gene Regulation');
xlabel('Time');
ylabel('Species Amount');

    Figure contains an axes object. The axes object with title Gene Regulation contains 4 objects of type line. These objects represent DNA, mRNA, protein, DNAProteinComplex.

Документация SimBiology

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте