Hálózatok túlélési és adaptációs mechanizmusai
www.linkgroup.hu
[email protected]
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 stabilitás
komplexitás
robusztusság
csoporttulajdonság
degenerált
Plasztikus
Merev
[funkcionális és szerkezeti]
[funkcionális és szerkezeti]
tanulás
evolúció
evolvabilitás exploráció (diverzitás)
memória kanalizáció
tudományos forradalom kreativitás
exploitáció (fókusz) öregedés
Plasztikusság és merevség: Két rosszul definiált kulcsfogalom ~100
~100
év
év?
struktúrális merevség: Maxwell, 1864
2-dimenziós bizonyítás: Laman, 1970
Nature Rev. Genet. 5, 826
plasztikusság ≠ rugalmasság
3-dimenziós bizonyítás: XXX, 2070?
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)
csökkenés
csökkenés
a Lyapunov stabilitásban
a szerkezeti stabilitásban
Lev Aleksandr Andronov Pontryagin (1901-52) (1908-88)
Definíciók: funkcionális plaszticitás és merevség
SOK lehetséges válasz
KEVÉS lehetséges válasz
Mindkét fogalom relatív!
Funkcionális plaszticitás, merevség és stabilitás plasztikus rendszerek: „sima” állapottér egyszerű rendszer
komplex rendszer
merev rendszerek: „érdes” állapottér
small kis –– nagy large Lyapunov Lyapunovstabilitás stability
kis ← nagy → kis struktúrális stabilitás
lokális minimum
merev plasztikus merev átmenet
Plasztikus/merev rendszerek tulajdonságai
extrém strukturálisan plasztikus stabil
+ disszipáció
memória kompetens (exploitáció)
+ +
extrém merev az adaptáció lehetősége
+ jelátvitel
tanulás kompetens (exploráció)
az adaptáció hatása Gáspár és Csermely, Brief. Funct. Genom. 11:443 Gyurkó és mtsai Curr. Prot. Pept. Sci. 15:171
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 kitekert fehérje (plasztikus)
betekert fehérje (merev)
chaperon ciklus fehérje eleresztés (plasztikus)
széthúzott fehérje (merev)
extendált peptidkötések
Hsp70 chaperon
a tekeredő fehérje nyújtása/eleresztése
peptidkötések plasztikus: nyújtása/eleresztése sok válasz
Todd és mtsai, PNAS 93:4030 Csermely BioEssays 21:959 Lin és Rye, Mol. Cell 16:23
Bukau és Horwich Cell 92:351
merev: kevés válasz
3. példa: Sejtdifferenciáció progenitor sejt
merev
még merevebb
differenciált sejt
plasztikus
Rajapakse és mtsai, PNAS 108:17257
plasztikus: sok válasz merev: kevés válasz
4. példa: A betegségek kialakulása Scientific Reports 2:342; 813
merev plasztikus merev
Foszgén inhaláció indukált tüdőkárosodás, krónikus hepatitis B/C, májrák
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 Bassett és mtsai PNAS 108:7641
A korábbi tanulási szakasz plaszticitásából a későbbi szakasz sikere jósolható
rigid ének komplexitás
plasztikus
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 Dean Keith Simonton
Donald T. Campbell
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
• kiterjedt, fuzzy mag • átfedő, laza modulok • nincs hierarchia • forrás-dominált
merev centrumok merevség terjesztő nódusok
• 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 Psychol. Aging 4:136 • kognitív funkciók merevebbek • a fluid intellektus csökken Intelligence 30:485 Handb. Phys. Aging 3:310 • a begyakorolt teljesítmény nő Gen. Soc. Gen. Psych. Monogr. 128:165 • a személyiség merevebb • 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 San Francisco South Africa
Zürich
Sanghai
Bethesda
Hong Kong
8 fős mag + 34 fős multidiszciplináris héj + 100 fős háttérhálózat + magyar/EU tehetséghálózat
