Hálózatok túlélési és adaptációs mechanizmusai www.linkgroup.hu csermelynet@gmail.com Prof. Csermely Péter Semmelweis Egyetem, Orvosi Vegytani Intézet
Az előadás fő üzenete Plasztikus Merev A plasztikus-merev ciklusok egy általános adaptációs mechanizmust írnak le.
Plasztikusság és merevség: két rosszul definiált kulcsfogalom degenerált robusztusság stabilitás komplexitás csoporttulajdonság tanulás exploráció (diverzitás) Plasztikus [funkcionális és szerkezeti] evolvabilitás evolúció tudományos forradalom Merev [funkcionális és szerkezeti] kanalizáció memória exploitáció (fókusz) kreativitás öregedés
Plasztikusság és merevség: Két rosszul definiált kulcsfogalom ~100 év ~100 év? struktúrális merevség: Maxwell, 1864 2-dimenziós bizonyítás: Laman, 1970 3-dimenziós bizonyítás: XXX, 2070? Nature Rev. Genet. 5, 826 plasztikusság rugalmasság
Különbségek a Lyapunov és a szerkezeti stabilitás között Lyapunov (dinamikus) stabilitás A dinamikus rendszer minden egyensúlyi ponthoz közeli megoldása e pont közelében marad/konvergál (a megzavart rendszer gyorsan visszatér az egyensúlyba) Aleksandr Lyapunov (1857-1918) Szerkezeti stabilitás sima (folytonosan differenciálható) perturbációk nem okoznak változást az attraktor-szerkezetben (létezik olyan folytonos topológiai transzformáció [homeomorfizmus], amely az új trajektóriákat a régiekbe átviszi; az attraktorszerkezet a rendszer Paramétereinek egy szélesebb tartományában stabil) Aleksandr Andronov (1901-52) Lev Pontryagin (1908-88) csökkenés a Lyapunov stabilitásban csökkenés a szerkezeti stabilitásban
Definíciók: funkcionális plaszticitás és merevség SOK lehetséges válasz KEVÉS lehetséges válasz Mindkét fogalom relatív!
Funkcionális plaszticitás, merevség és stabilitás plasztikus rendszerek: sima állapottér merev rendszerek: érdes állapottér egyszerű rendszer small kis nagy large Lyapunov stabilitás stability komplex rendszer kis nagy kis struktúrális stabilitás lokális minimum merev plasztikus merev átmenet
Plasztikus/merev rendszerek tulajdonságai extrém plasztikus strukturálisan stabil extrém merev + + + + az adaptáció lehetősége az adaptáció hatása disszipáció jelátvitel Gáspár és Csermely, Brief. Funct. Genom. 11:443 Gyurkó és mtsai Curr. Prot. Pept. Sci. 15:171 memória kompetens (exploitáció) tanulás kompetens (exploráció)
Plasztikus-merev ciklusok: egy általános adaptációs mechanizmus Plasztikus Merev A plasztikus- és a merev-dominancia alternáló változásai újra- és újra kalibrálják a komplex rendszert annak érdekében, hogy megtalálja a maximális szerkezeti stabilitást egy változó környezetben.
1. példa: Ismételt termális ciklusok összerendezik a granuláris anyagokat Chen és mtsai, Nature 442: 257 ötvözetek hőlágyítása, lencsék hibamentesítése Omori és mtsai, Science 341: 1500 plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
2. példa: Fehérjék natív szerkezetének kialakulása a sejten belül Hsp60 chaperon betekert fehérje (merev) fehérje eleresztés (plasztikus) chaperon ciklus kitekert fehérje (plasztikus) széthúzott fehérje (merev) Hsp70 chaperon extendált peptidkötések a tekeredő fehérje nyújtása/eleresztése Todd és mtsai, PNAS 93:4030 Csermely BioEssays 21:959 Lin és Rye, Mol. Cell 16:23 peptidkötések plasztikus: nyújtása/eleresztése sok válasz Bukau és Horwich Cell 92:351 merev: kevés válasz
3. példa: Sejtdifferenciáció progenitor sejt merev még merevebb plasztikus differenciált sejt Rajapakse és mtsai, PNAS 108:17257 plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
4. példa: A betegségek kialakulása Scientific Reports 2:342; 813 merev plasztikus Foszgén inhaláció indukált tüdőkárosodás, krónikus hepatitis B/C, májrák merev plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
5. példa: Rákos őssejtek Csermely és mtsai, Seminars in Cancer Biology doi: 10.1016/j.semcancer.2013.12.004 plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
6. példa: Állatok és emberek tanulása aktív idegsejtek modulokhoz tartozása plasztikusabb majd merevebb lesz a tanulás végére ének komplexitás rigid plasztikus Bassett és mtsai PNAS 108:7641 A korábbi tanulási szakasz plaszticitásából a későbbi szakasz sikere jósolható Deregnaucourt és mtsai Nature 433:710 hím madarak csecsemők agyi központ szinaptikus plaszticitása alternál Lipkind és mtsai Nature 498:104 Day és mtsai Dev. Neurobiol. 69:796 plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
7. példa: Emberi psziché és kreativitás plasztikus játékos, exploráló, DE: kiszámíthatatlan, megbízhatatlan merev Gyakorlott, döntésképes, megbízható DE: konok, kétértelműséget nem viseli exploráció exploitáció kreativitás plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
8. példa: Kreativitás vak variáció szelektív megtartás Donald T. Campbell Dean Keith Simonton brainstorming tudományos forradalmak plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
9. példa: Tanuló szervezetek Rothaermel és Deeds, Strat. Mgmt. J. 25:201 exploráció exploitáció cég- és termék-fejlesztésben plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
Plasztikus-merev ciklusok hálózat-független mechanizmusai 1. zaj: rejtett attraktorok elérése, színes zaj, nódus plaszticitás 2. médium-hatások: víz, chaperonok membrán-fluiditás, térfogati transzmissziós neuromoduláció, pénz (bizalom, innováció) Szocializmus: hiánygazdaság merev Kapitalizmus: többlet gazdaság plasztikus
Plasztikus-merev ciklusok hálózat-függő mechanizmusai puhulási pontok kreatív nódusok, prionok (Q/Ngazdag fehérjék), chaperonok merev centrumok merevség terjesztő nódusok kiterjedt, fuzzy mag átfedő, laza modulok nincs hierarchia forrás-dominált kicsi, sűrű mag elzárt, sűrű modulok erős hierarchia nyelő-dominált Csermely és mtsai, Seminars in Cancer Biology doi: 10.1016/j.semcancer.2013.12.004
Alkalmazások 1: Öregedés mint merevség kognitív funkciók merevebbek a fluid intellektus csökken a begyakorolt teljesítmény nő a személyiség merevebb Intelligence 30:485 Psychol. Aging 4:136 Handb. Phys. Aging 3:310 Gen. Soc. Gen. Psych. Monogr. 128:165 epigenetikus módosulások a génregulációs hálózatok merevebbek (a rendszer szabadsági fokai csökkennek) arxiv.org/abs/1407.6117 az emberi sejtek életkora 99%-ban jósolható DNS metilációból Horvath, Genome. Biol. 14:R115 Öregedés okozta kognitív csökkenés összefügg a szinaptikus plaszticitás epigenetikus csökkenésével Mendelsohn & Larrick, Rejuv. Res. 15:98
Alkalmazások 2: Evolúció variáció szelekció az evolúciós adaptáció egy neutrális hálózatot bejáró explorációs és diverzitáscsökkentő ciklusokon keresztül valósul meg, ahol a diverzitáscsökkenés a hasznos mutációk által kódolt új fenotípus elterjedése" Wagner, Nature Rev. Genet. 9:965 in vitro trns evolúció Science 280:1451 3000 E. coli generáció Science 272:1802 HIV-1 és H3N2 influenza vírusok in vivo evolúciója J. Virol. 73:10489; Science 305:371; Science 314:1898
Az előadás fő üzenete Plasztikus Merev A plasztikus-merev ciklusok egy általános adaptációs mechanizmust írnak le.
Köszönetnyilvánítás LINK-csoport India Sevilla Nashville St. Paul South Africa San Francisco Zürich Sanghai Bethesda Hong Kong 8 fős mag + 34 fős multidiszciplináris héj + 100 fős háttérhálózat + magyar/eu tehetséghálózat