Введение к работе
Актуальность теми. Одной из центральных проблем клеточной биологии является проблема клеточного цикла. D последние года было установлено, что существуют вещества 'белковой природы, способные специфически стимулировать синтез ДШС'и деление клеток. Эти вещества получили название факторов роста. Фактори роста, овнзываясь со своими рецепторами на мембране клетки., в процессе рецептор-опосредованного эндоцитоза (РОЭ) поступают внутрь ее. Именно эти процессы индуцируют пролиферацию и дкф{.х5рениировку клеток. Одним из основных факторов роста / является эпидермальннй фактор роста (ЭФР). специфический' рецептор которого присутствует в различных клетках и тканях і включає клетки роговиця, хрусталика, Фибробластов. сосудистого эндотелия. Среди факторов роста клеток иммунной системы выделяются интерлейкии-й (ИЛ-2) и интордейкин-4 (ИЛ-4). 'ИЛ-2 является основным фактором роста Т-лимфоцитов, натуральных киллеров; кроме того, он активирует В-лимфоциты и,.", моноцити/макрофаги. МЛ-4 - фактор роста В-лимфоцитов', производимый определенной субпопуляцией Т-лимфоштов' к неитрофилами, также регулирует пролиферацию Г-димроцитов.
.11 моменту начала наших исследований (1985 г.) исследование кинетики связывания и РОЭ факторов роста носило, Фрагментарный (в основном качественный) характер. Била построена одна математическая модель, связывания и РОЭ , ЭФР
[GcxFnbry, Поіляі, 1981). ЛО ЯаСТОЯНШ'О ВрЄМ«НИ НО СУЩЄ0ТВУЄТ
математических,моделей РОЭ интерлеЛкиноа. Поэтому детальный количественной мнали» с использованием математических моделей позволит' риг*нить количественную теорию связывания и РОЭ факторов роста клеткой и подробно научить механизм» УТИХ процессов, а также предсказать их роль в регуляции клеточной активности.
Цель и задачи исследования. №яъю, работ -является конструирование математических моделей связывания и РОЭ факторов роста клетками для того, чтобы I) корректно описать совокупность экспериментальных данных по кинетике связывания и РОЭ основных факторов роста, таких как роста (Э'РР), ИЛ-2, ИЛ-4
и 2,) для того, чтобы изучить кинетические -особенности связывания и РОЭ Факторов роста и их возможную роль в регуляции деления клеток. Для выполнения поставленной пели работы были сформулированы следующие задачи:
г. Построить и теоретически исследовать' модель _ РОЭ двухвалентных' лигандов с учетом рециклирования мембранных рецепторов в клетке.
2. Дать математическое описание и анализ опытных данных но
эндоцитозу ЭФР, э также определить параметры моделей РОЭ ЭФР.
-
Построить модели РОЭ факторов роста клетками, которые описывали Он процесс поступления этих факторов роста после предварительного связывания факторов роста с клетками на холоде in viti-o. Проанализировать эксперименты по РОЭ ШІ-3 и ШІ-4 по данной модели.
-
С помощью методов математического моделирования исследовать кинетику связывания и РОЭ факторов роста клетками при физиологических условиях. Дать анализ акспериментов по РОЭ ШІ-2 и ШІ-4 лимфоцитами по модели. Определить параметры модели.
5'!Сконструировать и численно исследовать математическую модель первого клеточного цикла лимфоцитов, в которой переход клеток из с( - в s- фазу клеточного цикла опосредуется связыванием и РОЭ ИЛ-2 лимфоцитами.
Научная новизна . Впервые при использовании большого фактического материала построена серия математических компартментнх моделей связывания и РОЭ факторов роста, которая позволила корректно описать совокупность экспериментальных данных но кинетике моделируемых процессов. Предложена математическая модель транспорта в клетку двухвалентных лигандов с учетом рециклирования мембранных рецепторов. Установлено соотношение между параметрами РОЭ, при котором концентрация внутриклеточных лиганд-рецелторннх комплексов максимальна. Предложены условия постановки эксперимента для отличия транспорта в клетку одно- и двухвалентных лигандов.
Построенные математические модели . связывания и рецептор-опосредованного эндоцитоза ключевых Факторов роста, (ЭФР, ИЛ-2, МЛ-4) теоретически описывают экспериментальные
данные по кинетике РОЭ этих Факторов роста. Предложенная нами
математическая модель связывания и РОЭ ЭФР минимально
трансформированиями клетками ЗТЗ в отличие от предложенной
ранее модели г,е\Га)>г\, PeUoi, 1981 содержит вдвое меньше
параметров, не противоречит другий экспериментам по ' РОЭ ЭФР
этими же клетками. Из нашей модели следует предсказание о
возможности сбрасывания с мембраны'' клетки в среду
Ф>актор-рецепторннх комплексов, когорте может быть проверено
экспериментально.
Для обширного набора экспериментальных' данных впервые, получены .доказательства, что на' клеточкой поверхности лимфоцитов существуют две формы рецепторов к факторам роста лимфоцитов - интерлейкина-3 и интерлейкина-4, различащихся в скоростях процесса эндо- и экзоцитоза и которые могут быть связаны с переносом различных сигналов в клетку.
Впервые постронна и исследована математическая модель связывания и. РОЭ МЛ-3 и ИЛ-4 лимфоцитами. Из расчетов "по этой модели следует, что предсказываемые две формы рецепторов к ИЛ-2 и ИЛ-4 могут обратимо переходить друг в друга.
Построена новая математическая модель первого клеточного цикла лимфоцитов, переход из с] - в іг-фіазу которого опосредуется связываниям и РОЭ ил-3 Т-лимфоыитами. Численно исследована модель аутокринного размножения Т-лимфоцитов in vitro , а также исследована jwik. рецептор-опосредованного зндоиитоза ИЛ-2' на. динамику клеток в л-фазе клеточно-го цикла.
Научно-практическая значимость диссертационной работы обусловлена возможностью применения полученных в ней результатов в дальнейших теоретических и практических исследованиях клеточного цикла, контролируемого ростовыми Факторами. , Практическая значимость вывода относительно существовании на клеточной поверхности лимфоцитов двух форм рецептурой к іштчрлейкнну-?. и иитерлейкину-4, различахлішхоя в скоростях нроцессингл интерлойкинов и клетку, заключается в предсказании условий для ' -постановки эксперимента по установлению мтих рецепторних структур, которые могут быть связаны с переносом в клетку различных сигналов.
Предложена методика проведения экспериментов по изучению роли процессинга факторов роста в делении клеток, которая
. следует1 из численного исследования предложенной нелинейной модели первого митотического деления"лимфоцитов.
. Апробация работы. Материалы диссертационной"~ -работы, доложены на 2-ом 'Всесоюзном семинаре " Математические и вычислительные методи в биологии" (Пушино, 1987 ). . 1-ом Всесоюзном'совещании " Биофизика рака" (Черноголовка, 1937 . ), Международном рабочем совещании "Математические модели ,'в иммунологами медицине" (Киев, ' 1989 ), Втором* Международном симпозиуме .'"Ци'гокины и факторы роста при раке" (Мюнхен, (Германия), 1993) Комбинированном семинаре 8-го междунородного совещания по: лимфэкинам и 4-го международного совещания но цитокинам' (Осака (Япония),, 1993), Международной конференции по применению'дафференциальных уравнений в биологии и индустрии (Кларемонт (США), 1994). Кроме того материалы диссертации докладывались на семинарах по математической иммунобиофизике HXfc'FAH, на конкурсе молодых ученых отдела кинетики химических
,и-биологических процессов ИХФ РА][ (1993 год), а также на конкурсе публикаций за 1993 год этого же отдела.'
i'.V Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в десяти работах.
'..'. Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, шести глав , выводов и списка литературы. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 01 рисунок и 15 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 174 названий, из них 26 на русском и Л 48 на иностранных языках. ' Основные положения.'выносимые на защиту. .' I. Основанная на анализе математических моделей система доказательств того, что на поверхности лимфоцитов, не зависимо от аффинности и субъединичной организации рецептора, существуют две формы рецепторов к ростовым факторам ИЛ-3 и ИЛ-4. различающиеся по скорости РОЗ.
.2. Объяснение нелинейных закономерностей РОЭ в условиях взаимодействия рецепторов с двухвалентными лигандоми, мри наличии нескольких путей рецен'гор-опосредонанпого :-мдо- и
. ' в
^№ШШЛ>БЦ^Ї^ІЇШ
i''-^/t'!V'^!/roiH''J'^r^*,7^(r''/T;0TJi'4rvMv'(rj'!::v*''S'fi'.Vi>''.fB4ir''->i.
зкдацитоэа нормальными и опухолевыми клетками. '. , : '
3. Теоретический анализ кинетических закономерностей клеточного цикла лимфоцитов, контролируемого ИЛ-?.. , ; ' '