The NF-κB network as an example of a regulatory network with a positive and negative feedback loop

• Autorzy: Grajek Julia , Bodnar Marek

Identyfikatory

DOI

10.14708/ma.v47i2.6490

Warianty tytułu

PL

System NF-κB jako przykład systemu regulującego z dodatnim i ujemnym sprzężeniem zwrotnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The family of transcription factors NF-κB plays a crucial role in immune response regulation, cell proliferation and cell survival; therefore, deregulated NF-κB activation results in severe health problems. However, its elaborate regulatory network is not yet fully understood. In this paper, we propose and analyze modifications of a mathematical model of the regulatory network that considers the positive feedback between NF-κB and cytokines and the negative feedback between NF-κB and its inhibitors. This mathematical framework captures the transient dynamics of NF-κB while remaining simple enough to obtain a stability condition of the equilibria. We anticipate that a deeper understanding of the NF-κB framework will increase the effectiveness of therapeutic strategies based on NF-κB inhibition. Moreover, the modified model is generic enough to prove useful in modelling different biological processes.

PL

Rodzina czynników transkrypcyjnych NF-κB pełni ważną rolę w regulacji odpowiedzi immunologicznej oraz profliferacji i przeżyciu komórek, w związku z czym niepoprawna aktywacja NF-κB prowadzi do poważnych problemów zdrowotnych. Jednak skomplikowany sposób aktywacji i regulacji NF-κB nie jest jeszcze w pełni zbadany. W tej pracy proponujemy i analizujemy dwie wersje modelu matematycznego uwzględniającego dodatnie sprzężenie zwrotne między NF-κB i cytokinami oraz ujemne sprzężenie zwrotne między NF-κB i jego inhibitorami. Ten model matematyczny obrazuje przejściową aktywację NF-κB, i jest jednocześnie na tyle prosty, aby pozwolić na otrzymanie analitycznych warunków na stabilność stanów stacjonarnych. Oczekujemy, że lepsze zrozumienie systemu regulacji NF-κB zwiększy efektywność terapii opartych na inhibicji tego czynnika transkrypcyjnego. Ponadto, zmodyfikowany model jest na tyle ogólny, że jego analiza może się okazać przydatna w modelowaniu innych procesów biologicznych.

Słowa kluczowe

EN

differential equations; stability analysis; Routh-Hurwitz stability criterion; Descartes' rule of sign; inflammatory response

PL

równania różniczkowe; analiza stabilności; kryterium stabilności Routha-Hurwitza; reguła znaków Kartezjusza; odpowiedź zapalna

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Matematyczne
• Czasopismo: Mathematica Applicanda
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 47, no. 2
• Strony: 165--176
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., fot., rys., wykr.

Twórcy

autor

Grajek Julia

• University of Warsaw, Faculty of Mathematics, Informatics and Mechanics, University of Warsaw, Stefana Banacha 2, Warszawa 02-097

autor

Bodnar Marek

• University of Warsaw, Faculty of Mathematics, Informatics and Mechanics, University of Warsaw, Stefana Banacha 2, Warszawa 02-097

Bibliografia

• [1] M. Barkett and T. D Gilmore. Control of apoptosis by Rel/ NF-κB transcription factors. Oncogene, 18:6910-24, 12 1999. doi: 10.1038/sj.onc.1203238. PMID: 10602466 [PubMed]. Cited on p. 165.
• [2] M. G. Dorrington and I. D. C. Fraser. NF-κB signaling in macrophages: Dynamics, crosstalk, and signal integration. Frontiers in Immunology, 10:705, 2019. ISSN 1664-3224. doi: 10.3389/fimmu.2019.00705. PMID: 6465568 [PubMed]. Cited on p. 165.
• [3] S. Han, H. Ko, J. Choi, K. Seo, H. Lee, E. Choi, I. Choi, H. Lee, and S. Im. Molecular mechanisms for lipopolysaccharide-induced biphasic activation of nuclear factor-κB (NF-κB). Journal of Biological Chemistry, 277:44715-21, 11 2002. doi: 10.1074/jbc.M202524200. Cited on p. 172.
• [4] T. Lipniacki, P. Paszek, A. R. Brasier, B. Luxon, and M. Kimmel. Mathematical model of NF-κB regulatory module. Journal of Theoretical Biology, 228 (2):195-215, 2004. ISSN 0022-5193. doi: 10.1016/j.jtbi.2004.01.001. Cited on p. 165.
• [5] A. Oeckinghaus and S. Ghosh. The NF-κB family of transcription factors and its regulation. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 1:a000034, 10 2009. doi: 10.1101/cshperspect.a000034. Cited on p. 165.
• [6] S. West, L. J. Bridge, M. R. H. White, P. Paszek, and V. N. Biktashev. A method of `speed coefficients' for biochemical model reduction applied to the NF-κB system. Journal of Mathematical Biology, 70 (3):591-620, Feb 2015. ISSN 1432-1416. doi: 10.1007/s00285-014-0775-x. Cited on p. 165.
• [7] P. Yde, B. Mengel, M. H. Jensen, S. Krishna, and A. Trusina. Modeling the NF-κB mediated inflammatory response predicts cytokine waves in tissue. BMC Systems Biology, 5:115, 2011. doi: 10.1186/1752-0509-5-115. Cited on pp. 165, 166, 167, 172, and 173.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).