Zeitschrift für Physikalische Chemie und Biophysik
Offener Zugang

Abstrakt

Zellentwicklungspfade folgen einem Prinzip extremer Fisher-Information

Robert A. Gatenby und B. Roy Frieden

Hintergrund: Bei sich normal entwickelnden Eukaryoten gelangen Informationen in Form eines Liganden an die Zellmembran, der sich an einen Proteinrezeptor bindet. Dies löst eine Kaskade biochemischer Ereignisse aus, die dazu führen, dass ein oder mehrere Proteine ​​anschließend das Zellzytoplasma zum Zellkern durchqueren. Dadurch wird ein Kommunikationskanal definiert. Was wird damit erreicht? Methode: Die Proteindurchquerungen übertragen dem Zellkern maximale Fisher-Informationen über die räumlichen und zeitlichen Koordinaten der Ligandenbindungsstellen. Diese Hypothese impliziert ein Zellmodell schneller, weitgehend gerichteter Proteinbewegung, die von der Coulomb-Wechselwirkung mit intrazellulären elektrischen Feldern dominiert wird. Sie macht folgende Vorhersagen: (1) Sehr hohe intrazelluläre elektrische Feldstärken, typischerweise mehrere zehn Millionen Volt/Meter (2) Negative Ladungen, die den Proteinen durch Phosphorylierung hinzugefügt werden, spielen eine zentrale Rolle bei der Förderung ihrer von Coulomb-Kräften dominierten Bewegung in Richtung Zellkern; (3) Die Dominanz von Proteinpfaden, die aus 1–4 Proteinen bestehen, z. B. die RAF-, RAS- und MEK-Pfade; (4) Eine vorhergesagte schnelle Reaktion (2.800 Proteine/ms) von Zellen auf plötzliche Traumata wie Wunden; (5) Eine vorhergesagte Größe von 4 nm (9) für das EGFR-Protein. (6) Logische Mechanismen im Zellkern zur optimalen Dekonvolution räumlicher und zeitlicher Bindungsstellenwerte aus den einströmenden Botenproteinen. Ergebnisse: Vorhersagen (1-5) werden durch Laborbeobachtungen gestützt. Schlussfolgerungen: Lebende Systeme erreichen stabil geordnete und komplexe Zustände durch die Aufrechterhaltung extremer Fisher-Informationsniveaus. Die erreichten Ordnungswerte steigen von Krebsarten über Prokaryonten und Eukaryonten bis hin zu mehrzelligen Organismen. Bei Eukaryonten fördert dies maximal hohe Proteinflussraten im Zellkern, die wiederum eingebettete intranukleare Logikmechanismen zur Verarbeitung dieser und anderer zeitlicher und räumlicher Informationen optimieren.