Computational and Mathematical Studies on Cellular Signal Initiation at the Receptors Level

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1 Diss. ETH No Computational and Mathematical Studies on Cellular Signal Initiation at the Receptors Level A dissertation submitted to ETH Zurich for the degree of Doctor of Sciences presented by Federico Felizzi MS in Electrical Engineering, Stanford University born 20 May 1983 citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. Dagmar Iber, examiner Prof. Dr. Mustafa Hani Khammash, co-examiner Prof. Dr. Olivier Pertz, co-examiner 2013

2 Summary Many biological cell communication events involve ligand interactions with membranebound receptors. To respond correctly, the cell needs to detect the quantity and the quality of the extracellular ligand. This thesis presents computational models that focus on the underlying mechanisms that enable precise sensing by cells. The first part focuses on a mechanism for ligand-receptor affinity discrimination. The B-cell-receptor is capable of discriminating between a wide range of binding affinities, something that is important to permit antibody affinity maturation during the immune response, but which has so far remained unexplained. Using the tools from queueing theory for the receptor-proximal signaling network, I show that a signaling mechanism that requires receptor clustering for signaling can produce wellseparated cellular responses for close receptor-ligand binding affinities. Furthermore, the separation of receptors into distinct clusters further increases this separation. In the second part of the thesis I focus on integrin signaling which is important in cell adhesion and migration. Integrin receptors, much as several other receptor systems, are well known to cluster on the cell surface, and many models have been proposed to explain integrin clustering based either on external factors (e.g. the glycocalyx) or based on active internal processes as mediated by the cytoskeleton. Using Monte-Carlo simulations I show that small initial clusters, that may arise as a result of a local membrane bending energy, can be enlarged by a positive signaling feedback as may be mediated by talin and PIP kinase. Using information-theoretic measures on the separation of probability distributions representing the cellular responses, I further show in the third part of my thesis that the organization of integrin receptors into clusters can enhance the cell s sensitivity, i.e. its capability to discriminate between ligand concentrations and affinities. I therefore propose that the presence of multiple receptor clusters on the cell surface iii

3 iv is critical for robust cell sensing and communication. Much of the experimental data on receptor signaling is based on imaging. In the final chapter I present a method to enhance the analysis of imaging data. STORM microscopy is a technology to overcome the diffraction limits of fluorescence microscopy. I introduce an algorithm to further reduce the noise of STORM images and to track distinct filamentous structures such as microtubules. A Markov chain taking values in the set of image points is constructed. The microtubules are the set of points belonging to the same communicating class of the chain.

4 Sommario Molti processi biologici di comunicazione cellulare sono mediati da interazioni tra ligandi e recettori di membrana. Per rispondere in maniera corretta, la cellula ha bisogno di valutare la qualità e la quantità del ligando extra-cellulare. Questa tesi presenta modelli computazionali con attenzione al meccanismo che consente una precisa percezione dell ambiente esterno da parte delle cellule. La prima parte dà attenzione al meccanismo di discriminazione dell affinità per i ligandi da parte dei recettori. I recettori delle cellule B sono capaci di discriminare uno spettro molto ampio di affinità di legame. Questo meccanismo è importante per la maturazione dell affinità degli anticorpi durante la risposta immunitaria, ma che fino ad ora era rimasto senza spiegazione. Usando strumenti della teoria delle code per la rete di segnalazione cellulare prossima ai recettori, mostro che un meccanismo di segnalazione che richiede l aggregazione dei recettori può dare luogo a risposte cellulari ben distinte, in seno ad affinità di legame molto vicine tra loro. In aggiunta, la separazione dei recettori in aggregati distinti contribuisce ulteriormente alla separazione di tali risposte cellulari. Nella seconda parte, l attenzione è data alle integrine, recettori importanti per l adesione e la migrazione cellulare. È noto che le integrine, in misura simile ad altri recettori, si organizzano in aggregati sulla membrana cellulare. Molti modelli sono stati proposti per spiegare l aggregazione delle integrine alla luce di fattori esterni (ad esempio il glicocalice) o basati su processi interni coadiuvati dal citoscheletro. Usando simulazioni Monte-Carlo, illustro come piccoli aggregati iniziali, che possono avere luogo in seno all energia di flessione della membrana, possono essere accresciuti da meccanismi di retroazione mediati da taline della PIP chinasi. Usando misure di teoria dell informazione circa la separazione di distribuzioni di probabilità rappresentanti le risposte cellulari, nella terza parte della tesi prev

5 vi sento come l organizzazione dei recettori in diversi aggregati possa ulteriormente contribuire alla sensitività cellulare, ovvero alla abilità cellulare di discriminare tra diverse concentrazioni di ligando e diverse affinità di legame. In definitiva suggerisco che la presenza di molti aggregati di integrine è critica per la robusta comunicazione cellulare. Gran parte dei dati sperimentali sulla segnalazione cellulare si basa su imaging. Nel capitolo conclusivo, presento un metodo per analizzare dati provenienti da immagini. La microscopia STORM è una tecnologia nata per superare i limiti legati alla diffrazione della luce della microscopia a fluorescenza. Introduco un algoritmo per ridurre ulteriormente il rumore delle immagini STORM e per tracciare distinte stutture filamentose, quali i microtubuili. È costruita una catena di Markov con valori nell insieme dei punti dell immagine. I microtubuli sono l insieme dei punti che appratengono alla stessa classe di comunicazione della catena.

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