Stochastizität in Genregulationsnetzwerken kontrollieren und nutzen

Die Genauigkeit, mit der Zellen Differenzierungsprogramme durchlaufen oder auf äussere Reize reagieren, ist beachtlich. Dies umso mehr, da die molekularen Interaktionen ein «Hintergrundrauschen» verursachen, welches diese Prozesse begleitet. StoNets will nicht nur erforschen, wie dieses kontrolliert wird, sondern auch wie es zur Bildung robuster genetischer Netzwerke, Zellen und zellulärer Systeme genutzt wird.

Obwohl alle Zellen eines Organismus dieselben genetischen Informationen enthalten, gibt es eine grosse Vielfalt an Zelltypen und Zellverhaltensweisen. Diese Variation entsteht durch Regulationsmechanismen auf allen Stufen der Genexpression. Dank den technologischen Fortschritten können Moleküle und Zellen schnell und gründlich untersucht werden. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass eine als Stochastizität bezeichnete, zufallsbedingte Unregelmässigkeit in allen Systemen der Genexpressionsregulation vorhanden ist. Dies führt zur zentralen Frage dieses Projekts: Wie kann es trotz diesem «Hintergrundrauschen» der molekularen Interaktionen zu einem robusten und nachvollziehbaren Zellverhalten kommen?

Ein «Schnitt» durch die organisatorischen Ebenen der Genexpression

Wir untersuchen systematisch die Mechanismen, welche das «Hintergrundrauschen» auf verschiedenen organisatorischen Ebenen der Genexpressionsregulation – von der Transkription individueller Gene bis hin zur Änderung des Zellschicksals – kontrollieren. Jedes der untersuchten Modellsysteme ist in sich selbst interessant, beinhaltet aber auch wichtige stochastische Aspekte. 

Modellentwicklung führt zu Fragen

Dank dem zunehmenden Verständnis der Grundmechanismen der Genregulation konnten viele molekulare Schlüsselelemente identifiziert und zahlreiche, direkt regulatorische Interaktionen erfasst werden. Theoretiker entwickeln nun Modelle, um die einem bestimmten Verhalten zugrundeliegenden Interaktionen bestimmen zu können. Dies wiederum wirft viele neue, damit einhergehende quantitative Fragen in Bezug auf biologische Systeme auf. Mit Hilfe einer engen Vernetzung experimenteller Methoden und verschiedener Computeransätze möchte StoNets Antworten auf diese Fragen finden. Dies soll letztendlich zu einem vertieften, quantitativen Verständnis und dadurch auch zu einer besseren Kontrollierbarkeit des Zellverhaltens führen.

Stand: September 2013