Entscheidungsfindung von Zellen in multizellulären Systemen: Das 'Least microEnvironmental Uncertainty' Prinzip (LEUP)

Die Entscheidungsfindung von Zellen ist ein Prozess, bei dem sie ihren Phänotyp entsprechend ihrer intrinsischen Programmierung und als Reaktion auf ihre Mikroumgebung ändern. Derzeit ist jedoch nur wenig über die Prinzipien bekannt, die die Entscheidungsfindung von Zellen in multizellulären Systemen bestimmen. Wir betrachten Zellen als Bayessche Entscheidungsfinder mit energetischen Limitationen und schlagen die Hypothese vor, dass Organismen aller Domänen des Lebens für ihre Entscheidungsprozesse ein „Least microEnvironmental Uncertainty Principle (LEUP)“ verwenden. Dieses Modell wird in ein Prinzip der freien Energie übertragen, was eine Theorie der statistischen Mechanik für die zelluläre Entscheidungsfindung impliziert. In diesem Projekt adressieren wir drei grundlegenden Fragen: (C1) die Unsicherheit/Stochastizität subzellulärer regulatorischer Zellentscheidungsmechanismen, (C2) mangelndes Wissen über den relativen Beitrag intrinsischer und extrinsischer Entscheidungsfaktoren zur multizellulären raumzeitlichen Dynamik und (C3) eine einheitliche Theorie für verschiedene Arten der zellulären Entscheidungsfindung. Eine Reduktion der statistischen Mechanik ermöglicht es, viele Parameter in eine niedrigdimensionale mathematische Beschreibung zu vereinfachen und die Unsicherheit über die zugrunde liegenden Mechanismen zu umgehen. Darüber hinaus ermöglicht es die Integration heterogener Datentypen als Randbedingungen der LEUP-Energieoptimierung. Die Verwendung von LEUP in enger Verbindung mit Experimenten wird es uns ermöglichen, Details des Modells für vier verschiedene zelluläre Entscheidungsprobleme zu bestimmen: (i) die Bestimmung des Schicksals hämatopoetischer Stammzellen, (ii) lokale Wechselwirkungen während der T-Zell-Differenzierung, (iii) phänotypische Plastizität der Makrophagen und (iv) Flagellenanordnung während der Zellteilung von Bakterien.