Un modèle basé sur des règles de la voie de signalisation de l'insuline | Biologie des systèmes BMC

Le modèle de la voie de signalisation de l’insuline

À partir de trois modèles publiés, nous avons implémenté le modèle d’ISP tel que représenté à la Fig. 1 utilisation de la Notation graphique de la Biologie des Systèmes.

Le modèle comprend de nombreux éléments essentiels responsables de l’action de l’insuline puisque les trois principales sous-voies de l’ISP, brièvement décrites ci-après, sont incluses.

La voie PI3K-AKT

Pour la voie PI3K-Akt, nous nous référons principalement au modèle de Sedaghat et al. . Le modèle a été utilisé par plusieurs groupes de recherche et comprend bon nombre des composants de signalisation les plus connus servant à la translocation du transporteur de glucose GLUT4. Ceux-ci comprennent les sous-systèmes de liaison au récepteur de l’insuline et de recyclage; le sous-système de signalisation post-récepteur comprenant à la fois la phosphorylation Ser et Tyr au substrat du récepteur de l’insuline1 (IRS1); la formation d’un complexe (complexe IRS1_PI3K) entre l’IRS1 phosphorylée et la phosphatidylinositide 3-kinase (PI3K); les 3,4,5-trisphosphates de phosphatidylinositol PI (3,4,5) P3, synthèse; la phosphorylation de la protéine kinase B (AKT) et de la protéine kinase C (PKC)-ζ; la translocation de GLUT4 vers la membrane plasmique. Les effets de la protéine tyrosine phosphatase (PTP1B) et des phosphatases lipidiques (SHIP2 et PTEN) sont également pris en compte dans le modèle.

La voie TSC1/2-mTOR

Pour la voie TSC1/2-mTOR, nous nous référons principalement au modèle récemment publié dans Sonntag et al. , décrivant l’effet mTOR en réponse à l’insuline et aux acides aminés. Le modèle considère les deux complexes mTOR: mTORC1 et mTORC2. L’activation de mTORC1 dépend de la présence d’acides aminés et est inhibée par l’activation des protéines de sclérose tubéreuse 1 et 2 (TSC1 / 2) (c’est-à-dire la phosphorylation de la Ser), qui, à son tour, dépend de l’activation de la protéine kinase activée par l’AMP de 5′ (AMPK). L’activation de l’AMPK dépend de la phosphorylation Tyr de l’IRS1, tandis que l’inhibition de la TSC1 / 2 (c’est-à-dire la phosphorylation Tyr) dépend de la phosphorylation AKT à Thr309. mTORC2, qui a été récemment identifié comme la protéine kinase 2 (PDK2) dépendante de la phosphoinositide inconnue, c’est-à-dire la kinase responsable de la phosphorylation Ser474 de l’AKT, contribue à la double phosphorylation de l’AKT avec la phosphorylation Thr309, opérée par la protéine kinase 1 phosphoinositide-dépendante (PDK1). Sonntag et coll. formuler l’hypothèse de la présence d’un variant PI3K, qui est directement régulé par le récepteur de l’insuline activé et, à son tour, active mTORC2. Nous avons inclus cette hypothèse dans notre modèle.

La voie RAS-MAPK

Pour la voie RAS-MAPK, nous nous référons principalement au modèle de Borisov et al. , décrivant à la fois les stimulations d’EGF et d’insuline. Le modèle comprend tous les principaux mécanismes chimiques impliqués dans la voie RAS-MAPK: l’interaction de l’IRS1 phosphorylé Tyr avec SHP2 (la protéine kinase 2 de tyrosine contenant un domaine SH2) et du complexe GRB2-SOS (le facteur de croissance lié au récepteur 2 et le fils du complexe sans sept), formant ainsi les complexes SHP2-IRS1 et GRB2 / SOS-IRS1, respectivement; la liaison GTP du RAS; la phosphorylation de la sérine proto-oncogène RAF / thréonine-protéine kinase (c-RAF); l’interaction du récepteur de l’insuline avec la protéine activatrice de la GTPase Ras (RASGAP), qui à son tour catalyse le processus inverse de désactivation de la Ras; l’activation de la proto-oncogène tyrosine-protéine kinase SRC qui active complètement la c-RAF; la kinase 1/2 activée par la mitogène à double spécificité (MEK1 / 2); les kinases régulées par le signal extracellulaire (ERK1 / 2).

Intégration des voies PI3K-AKT, TSC1/ 2-mTOR et RAS-MAPK

Les voies PI3K-AKT, TSC1 / 2-mTOR et RAS-MAPK contiennent plusieurs parties qui se chevauchent, qui, dans les articles originaux, ont souvent été modélisées de différentes manières en se basant sur des hypothèses légèrement différentes. Nous avons comparé les réactions qui se chevauchent à travers différents modèles et mis en œuvre la version la plus à jour d’entre eux basée sur les connaissances actuelles de la biochimie cellulaire. De plus, l’intégration des trois modèles nécessitait de traiter les différentes unités de mesure adoptées pour décrire les variables d’état. Alors que les expériences d’immunoblot permettent d’obtenir des informations importantes sur l’échelle de temps des événements de signalisation, les informations quantitatives sur l’expression des protéines sont souvent problématiques à récupérer, de sorte que les profils de concentration prédits sont parfois rapportés en concentration micromolaire, comme dans Borisov et al. , ou en unités arbitraires (AU), comme dans Sonntag et al. . En revanche, dans Sedaghat et al. , les concentrations ont été exprimées soit en unités molaires, soit en pourcentage de la concentration totale (par exemple, la concentration de cytosol GLUT4 était considérée comme égale à 96% de la concentration totale de GLUT4 dans la cellule à l’état initial).

Potentiellement, la GAR permet d’effectuer des simulations déterministes et stochastiques, à condition que les grandeurs variables soient exprimées en copies de molécules par cellule. Même si dans le présent travail nous n’avons pas utilisé de simulation stochastique, nous avons aligné toutes les variables sur la même unité, c’est-à-dire nombre de molécules par cellules, en multipliant les unités molaires par NA*V (NA indique le nombre d’Avogadro et V le volume cellulaire, considéré égal à 3e-12 l). Tous les détails sur la conversion des unités à partir de l’UA et des concentrations en pourcentage sont donnés dans Matériel et méthodes.

Le modèle résultant comprend 42 règles de réaction et 101 paramètres codant les interactions entre 61 espèces chimiques distinctes. Les réactions, les valeurs des paramètres et les conditions initiales sont toutes rapportées dans le fichier supplémentaire 1.

Nouveautés du modèle RBM-ISP

La mise en œuvre de la RBM a facilité la prise en compte d’un certain nombre de caractéristiques de l’ISP, telles que la phosphorylation de protéines de signalisation en plusieurs sites et avec de multiples effets, l’interaction simultanée de molécules avec différents partenaires de liaison et la localisation sous-cellulaire de certaines réactions. Les caractéristiques énumérées ci-dessus sont discutées en détail dans ce qui suit.

Phosphorylation de protéines de signalisation sur plusieurs sites

Les molécules de signalisation peuvent avoir différents niveaux d’activité, en fonction des résidus phosphorylés. Considérons par exemple IRS1 et AKT. IRS1 possède de nombreux résidus potentiellement impliqués dans des modifications post-traductionnelles et peut être activé ou inhibé dans son action kinase, selon que le résidu phosphorylé est Tyr ou Ser. Par exemple, la phosphorylation Tyr-896 est nécessaire pour la liaison à PI3K, SHP2 et GRB2, tandis que la phosphorylation Ser-636 par p70S6K est un mécanisme lié à la résistance à l’insuline. AKT, en revanche, peut être activé par phosphorylation à Thr309 ou Ser474 par PDK1 et mTORC2, respectivement.

L’activation/ inhibition dépendante de la phosphorylation IRS1 a déjà été incluse dans le modèle Sedeghat bien que considérant la phosphorylation Ser régulée par PKC et non par p70S6K, comme dans le modèle Sonntag. Ici, nous avons modélisé les actions PKC et p70S6K et décrit la formation / dissociation du complexe pIRS1-Tyr896 avec PI3K, SHP2 et GRB2.

Les deux sites de phosphorylation de l’AKT n’ont pas été modélisés explicitement dans Sedaghat et al. . Nous avons modélisé la phosphorylation de l’AKT à Thr médiée par PI(3,4,5) P3 comme dans Sedaghat et al. le modèle et la phosphorylation AKT au Ser médiée par mTORC2 comme dans Sonntag et al. modèle et supposé:

i)
AKT phosphorylé soit au niveau de Thr soit aux deux sites pour agir sur le complexe TSC1/2 en médiant sa phosphorylation au niveau de Tyr et sa déphosphorylation au niveau de Ser ;
ii)
phosphorylation de l’AKT au niveau du Ser ou des deux sites pour inactiver le C-RAF ;
iii)
phosphorylation d’AKT à Thr ou Ser pour activer la translocation de GLUT4.

Interaction avec de multiples partenaires de liaison

L’interaction des molécules dans les voies de signalisation avec de nombreux partenaires de liaison différents entraîne la formation potentielle de différents complexes. Dans ISP, IRS1 phosphorylé à Tyr-896 peut lier PI3K comme modélisé dans Sedaghat et al. ou GRB2/SOS et SHP2, tels que modélisés dans Borisov et al. . Afin de faire correspondre la spécification du modèle RBM-ISP avec les connaissances actuelles, nous avons permis la formation de différents complexes. Ainsi, IRS1 peut lier de manière mutuellement exclusive GRB2 / SOS et SHP2, mais peut lier simultanément GRB2 / SOS et la sous-unité de régulation p85 de PI3K.

Informations sur la localisation subcellulaire dans les règles de réaction

La possibilité que les protéines doivent interagir est souvent liée à leur localisation physique, c’est-à-dire leur présence dans l’espace extra-cellulaire, le cytoplasme, le noyau, la membrane plasmique, etc. Par exemple, les lipides PI(3,4,5) P3 fonctionnent comme des sites d’amarrage de la membrane plasmique qui recrutent différentes protéines contenant des domaines d’homologie de pleckstrine (PH) (p. ex. AKT et PDK1) et leur co-localisation peuvent accélérer des événements de signalisation spécifiques. Un autre exemple est l’interaction de mTORC1 avec l’homologue Ras enrichi en cerveau (RHEB) et la famille Rag sur la membrane du lysosome, rapportée par Zoncu et al. . Dans notre modèle, nous avons inclus les informations sur la localisation subcellulaire du récepteur de l’insuline et du transporteur GLUT4, en distinguant leur localisation plasmatique et cytoplasmique selon la description mathématique donnée par Sedaghat et al. .

Prédictions du modèle

Les profils de concentration de toutes les espèces chimiques peuplant le modèle ont été simulés après une stimulation par insuline de 60 min à 100 nM. La concentration de 100 nM représente un niveau bien accepté de stimulation par l’insuline dans les cultures cellulaires couramment trouvées dans la littérature et utilisées également par notre groupe. Selon Sonntag et al. , nous avons également supposé une stimulation constante des acides aminés, nécessaire pour obtenir l’activation de mTORC1 et le retour de p70S6K sur IRS1. Pour évaluer la fiabilité du modèle, les prédictions du modèle ont été comparées aux données expérimentales disponibles dans notre jeu de données pour certaines phosphoprotéines au temps 2, 5, 10, 30 et 60 min suivant la stimulation par l’insuline et les acides aminés, c’est-à-dire la leucine. Comme le montre la Fig. 2, les profils expérimentaux et prédits de pAKT-S473 et pmTORC1-S2448 sont en bon accord, car ils montrent tous deux un schéma de phosphorylation croissant atteignant un état d’équilibre dans les 2-5 premières minutes et 20-30 minutes, respectivement. Le profil prédit pour ppERK1 / 2-Y202, Y204 est confirmé par les données expérimentales dans les 10 premières minutes, alors que dans les derniers moments, il diminue rapidement dans les données expérimentales par rapport aux prédictions du modèle. Le profil observé dans les données expérimentales pour ppERK1/ 2-Y202, Y204, pourrait être plus étroitement apparié en augmentant la force de la rétroaction entre ppERK1 / 2-Y202, Y204 et GRB2 / SOS. Sur la Fig. 2 (panneau supérieur droit, ligne pointillée), le profil simulé de ppERK1/2-Y202,Y204 obtenu en multipliant le paramètre kcat39 (voir fichier supplémentaire 1) par un facteur 10 est représenté. Notez que dans le modèle RBM ISP disponible en ligne, nous avons décidé de laisser le paramètre du modèle inchangé, c’est-à-dire que nous utilisons la valeur de la littérature, en reportant l’optimisation des paramètres pour de futures études, lorsque d’autres données seront disponibles. Malheureusement, les données expérimentales de pP70S6K-T389 n’étaient pas fiables (une seule réplique disponible), nous ne pouvons donc pas comparer les profils expérimentaux et simulés pour cette protéine, qui est un point final de la voie avec une action de rétroaction importante sur IRS1. Néanmoins, le profil simulé représenté à la Fig. 2 (panneau inférieur droit) ressemble aux données expérimentales présentées dans d’autres articles.

Nous avons examiné les profils prédits de toutes les espèces actives et les avons regroupés en quatre groupes en fonction de leur comportement dynamique, comme le montre la Fig. 3:

Réponse rapide, atteignant l’état d’équilibre en 2-5 min (bleu)
Réponse de dépassement rapide, atteignant le pic dans les 2-5 min, puis l’état d’équilibre après 10-20 min (vert)
Réponse lente, atteignant l’état d’équilibre en 10-20 min (orange)
Réponses de dépassement lentes, atteignant le pic en 5-10 min et l’état d’équilibre en 30-60 min (violet).

Après la stimulation par l’insuline, le récepteur de l’insuline réagit rapidement en phosphorylant et en déclenchant une cascade d’événements le long de voies distinctes. Le long de la voie PI3K-AKT, tous les mécanismes étroitement liés à la Tyr-phosphorylation IRS1 sont caractérisés par une réponse rapide. Il en va de même pour d’autres cibles directes d’IRS1 phosphorylées à Tyr le long de la cascade TSC1/2-mTOR, c’est-à-dire la phosphorylation d’AMPK à T172, la formation de complexes SHP2-IRS1 et GRB2/SOS-IRS1. La réponse rapide est caractérisée soit par une montée rapide à l’état d’équilibre, soit par un dépassement transitoire suivi de la condition d’état d’équilibre, en fonction de l’absence/présence de mécanismes de rétroaction agissant sur la molécule cible (cas 1 et 2, respectivement en bleu et en vert, sur la Fig. 3). Les mécanismes constituant principalement la voie TSC1/2-mTOR et jouant un rôle dans la Ser-phosphorylation d’IRS1 sont caractérisés par une réponse de non-dépassement relativement lente (cas 3, orange sur la Fig. 3). Comme observé ci-dessus, la voie RAS-MAPK suppose dans ses composantes amont une réponse rapide, qui devient sensiblement plus lente pour les composantes aval (cas 4, violet sur la Fig. 3).

En général, les molécules en aval de la voie, liées à des processus relativement lents tels que l’activation de la transcription ou l’interaction avec l’environnement extérieur à la cellule, tels que ERK1 / 2 et GLUT4, sont caractérisées par une réponse lente alors que les molécules en amont de la voie sont caractérisées par une réponse rapide afin de provoquer une propagation rapide du signal. Dans ce contexte, la réponse de dépassement suivie du retour à l’état stationnaire pourrait aider à obtenir une propagation rapide du signal sur une voie de signalisation, rendant les molécules à nouveau disponibles pour d’autres voies de signalisation immédiatement après.

Prédictions du modèle en l’absence de mécanismes de contrôle

Un certain nombre de simulations ont ensuite été effectuées pour étudier la robustesse du système sur deux effets cibles de l’ISP : la translocation GLUT4 et la phosphorylation ERK1/2. En particulier, le rôle de deux mécanismes de contrôle majeurs dans la régulation des effets cibles a été analysé:

Boucle de rétroaction négative P70S6K-IRS1 (ligne rouge sur la Fig. 1);
Boucle de rétroaction négative ERK1/2-GRB2/ SOS (ligne bleue sur la Fig. 1);

A cet effet, l’évolution temporelle de la réponse GLUT4 et ERK1/2 en présence et en absence des deux mécanismes de régulation énumérés ci-dessus a été comparée (Fig. 4). La dynamique de l’ERK1/ 2 doublement phosphorylé est fortement affectée par les boucles de rétroaction négative P70S6K-IRS1 et ERK1/ 2-GRB2 / SOS. D’autre part, l’état d’équilibre et le comportement dynamique de GLUT4 dans la membrane ne sont pas affectés par ERK1 / 2, mais sont fortement affectés par la boucle de rétroaction négative P70S6K-IRS1, confirmant ainsi l’importance remarquable de ce dernier mécanisme de contrôle dans la détermination de la dynamique du système.

Il est bien connu que la résistance à l’insuline est associée à des défauts de signalisation dépendant de l’IRS, impliquant sa dérégulation dans l’initiation et la progression de la maladie métabolique. Une vision émergente est que la régulation positive / négative de l’IRS par des voies autologues est subvertie dans la maladie par une augmentation des phosphorylations sérine / thréonine basales et d’autres phosphorylations sérine / thréonine inappropriées dans le temps, ce qui conduit à une absorption réduite du glucose. L’hyperinsulinémie compensatoire peut augmenter à ce stade et conduire, en fin de compte, au diabète. Bien que les IRS1 (et IRS2) soient régulés par un mécanisme complexe impliquant la phosphorylation de plus de 50 résidus sérine / thréonine différents, dans notre modèle P70S6K- la boucle de rétroaction négative IRS1 semble essentielle pour un bon contrôle de l’absorption du glucose. L’amélioration de la boucle de rétroaction négative P70S6K-IRS1 peut expliquer une sensibilité réduite à l’insuline et une absorption du glucose (Fig. 5). De même (bien qu’ils émettent également l’hypothèse d’une rétroaction positive de mTOR sur un résidu de sérine IRS1 différent), Brännmark et al. , en utilisant un modèle minimal de signalisation de l’insuline, montrent qu’un mécanisme de rétroaction positive diminué est capable d’expliquer une absorption réduite du glucose.

D’autre part, les boucles de rétroaction négative P70S6K-IRS1 et ERK1/2-GRB2/SOS semblent essentielles pour garantir que l’ERK doublement phosphorylée présente un comportement transitoire, avec un pic à 10 min suivi d’un retour au condition de base. Ce comportement a déjà été rapporté dans la littérature sous stimulus de l’insuline et sous stimulus du facteur de croissance épidermique. Une réponse transitoire à l’ERK empêche une activation soutenue de l’ERK qui entraînerait une prolifération cellulaire continue.

Analyse de sensibilité

Pour étudier plus avant le rôle des deux principaux mécanismes de contrôle dans la régulation des effets cibles, une analyse de sensibilité locale a été effectuée en appliquant une petite perturbation (0.1% de la valeur du paramètre) à un paramètre du modèle à la fois et en évaluant les changements relatifs résultants de la translocation GLUT4 et de la phosphorylation ERK1/2 (voir Méthodes). Les tableaux 1 et 2 montrent les coefficients de sensibilité des paramètres du modèle, classés en fonction de leur valeur absolue et comparés à la valeur que les coefficients supposent lors de la suppression des boucles de rétroaction négative P70S6K-IRS1 et ERK1/2-GRB2/SOS. Ces coefficients mesurent l’effet global, c’est-à-dire pendant la fenêtre d’observation, d’un changement de paramètre sur le résultat, c’est-à-dire la réponse GLUT4 et ERK. Les valeurs positives / négatives signifient que l’augmentation de la valeur du paramètre a pour effet d’améliorer / de réduire la réponse. Étant donné que de petites valeurs absolues signifient que les changements de paramètres n’affectent pas de manière significative le résultat, dans les tableaux 1 et 2, seul le coefficient supérieur à 0,1% (valeur absolue), dans le modèle original ou modifié, est indiqué.

Tableau 1 Analyse de sensibilité paramétrique du modèle complet pour la translocation de la membrane GLUT4

Tableau 2 Analyse de sensibilité paramétrique du modèle complet pour l’activation ERK1/2

L’analyse de sensibilité paramétrique du modèle complet pour la réponse au GLUT4 révèle que les paramètres les plus sensibles sont liés à la translocation du GLUT4 vers la membrane plasmique, suivis de ceux liés à la formation de lipides et à la formation / dissociation du complexe IRS1_PI3K. L’absence de rétroaction p70S6K_IRS1 a un fort impact sur l’augmentation de la sensibilité (valeur absolue) des paramètres liés à la formation de lipides et à la formation / dissociation du complexe IRS1_PI3K.

Les paramètres liés à la phosphorylation / déphosphorylation IRS1 de base à Tyr / Ser ont une sensibilité plus faible, qui diminue (valeur absolue), en général, en supprimant la rétroaction P70S6K-IRS1, à l’exception du paramètre k7p, lié à la phosphorylation IRS1 à Ser. Les paramètres liés à la phosphorylation IRS1 médiée par la PKC au niveau de Ser montrent également des valeurs accrues après élimination de la rétroaction P70S6K-IRS1. Comme la suppression du feedback ERK1/ 2-GRB2/ SOS n’a aucun effet sur la translocation de GLUT4, les coefficients de sensibilité ne changent pas avec et sans ce feedback.

L’analyse de sensibilité paramétrique du modèle complet pour la réponse ERK1/ 2 montre que les paramètres les plus sensibles sont liés à l’activation RAS, MEK et RAF et à la phosphorylation IRS1 à Tyr et Ser, cette dernière médiée par p70S6K. Le long de la voie PI3K-AKT et de la voie RAS-ERK1/ 2, la rétroaction ERK1/2-GRB2/SOS semble avoir un rôle important sur la robustesse du système. La dynamique du système est faiblement affectée par son absence (voir Fig. 4), alors que la sensibilité du paramètre augmente (en valeur absolue) dans presque tous les cas si cette rétroaction est supprimée.

Les conclusions sur l’effet de la rétroaction P70S6K-IRS1 sur la réponse ERK1 / 2 sont plus controversées. La suppression de cette rétroaction a pour effet de réduire la sensibilité des paramètres le long de la voie PI3K_AKT, alors que, le long de la voie RAS-ERK1 / 2, elle n’a presque aucun effet pour les paramètres liés à la phosphorylation MEK, à l’inactivation RAF et à la phosphorylation ERK. Il diminue la sensibilité pour les paramètres liés à l’activation RAS, RAF et à la perturbation complexe IRS1-GRB2 / SOS et IRS1-SHP2. Il augmente fortement la sensibilité des paramètres liés à l’activation du SRC et de la RAF.

Ces résultats mettent en évidence le rôle central des boucles de rétroaction négative dans la détermination non seulement de la dynamique d’un système biologique mais aussi de sa robustesse. Cette propriété est d’une importance remarquable car elle préserve le comportement dynamique du système contre le bruit et les petites fluctuations biologiques généralement dues à la variabilité intercellulaire.

Un modèle basé sur des règles de la voie de signalisation de l’insuline