Author(s): Louro, Marco António Dias
Date: 2016
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/26158
Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
Subject(s): Duplicação de centríolos; Montagem de "cartwheels"; Mecanismo de empilhamento; Cinética química estocástica; Estimação do comprimento de "cartwheels"; Teses de mestrado - 2016; Departamento de Biologia Vegetal
Tese de mestrado, Bioinformática e Biologia Computacional (Biologia Computacional) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016
The control of centrosome numbers is essential to ensure cellular integrity and viability. This control depends on the ability of the centrosomal structure, the centriole, to undergo duplication once and only once per cell cycle. It is known that the master regulator of centriole biogenesis is the enzyme Plk4. A mathematical model of Plk4 activity was used to conclude that there is a concentration threshold which must be overcome in order to produce enough active molecules to induce centriole biogenesis. This suggests a mechanism for regulating the onset of centriole duplication but it does not relate Plk4 concentration to centriole numbers nor explain how the system can account for fluctuations in its levels. In this dissertation we sought to provide an explanation for the fidelity of the process of centriole duplication. Our hypothesis is that the formation of an incipient scaffolding structure, named the cartwheel, is the critical step for controlling centriole numbers. The cartwheel core is composed of stacked Sas-6 rings, a protein whose function depends on Plk4. We postulated that if Sas-6 tends toward stacking on top of the first cartwheel that arises, promoting its elongation, instead of forming a new one this could prevent the formation of supernumerary structures and indirectly account for noise in Plk4 concentration. In its turn, since one cartwheel corresponds to a single centriole, this could explain how centriole numbers are kept in check. We developed stochastic models in order to address the efficiency of the stacking mechanism in controlling cartwheel/centriole numbers. Our analysis shows that even relatively low stacking rates are sufficient for reducing the rate at which the second cartwheel is formed. The average rate of cartwheel elongation on the other hand is approximately constant. Moreover, the response of the system to higher Sas-6 availability is not linear, suggesting there is a set of conditions in which cartwheel numbers remain approximately the same but their length varies. In order to test some of these predictions, it is necessary to measure cartwheel length. We proposed that this could be done by using the aspect ratio distribution of randomly generated cartwheel cross-sections. We conducted a power analysis and concluded that this method can distinguish between cartwheels of different lengths. Moreover, the average aspect-ratio can be used as a cartwheel length estimator, at least in a given range of values. Our analysis suggests that the proposed stacking mechanism can allow the cell to control cartwheel and presumably centriole numbers. The same mechanism also implies that cartwheel length is distributed. We suggested a method which can simplify the experimental procedure for measuring these lengths.
O controlo do número de centrossomas é essencial para garantir a integridade e a viabilidade da célula. Este controlo depende da capacidade que a estrutura principal do centrossoma, o centríolo, tem em sofrer duplicação uma única vez por ciclo celular. Sabe-se que o regulador principal da biogénese de centríolos é o enzima Plk4. Um modelo matemático da atividade de Plk4 foi usado para concluir que existe um limiar de concentração que deve ser ultrapassado de modo a produzir moléculas ativas suficientes para induzir a biogénese de centríolos. Isto sugere um mecanismo de regulação da iniciação do processo de duplicação dos centríolos mas não relaciona a concentração de Plk4 com o número de centríolos nem explicar como o sistema pode ter conta flutuações nos seus níveis. Nesta dissertação procurámos providenciar uma explicação para a fidelidade do processo de duplicação centriolar. A nossa hipótese é que a formação de uma estrutura de suporte incipiente, nomeada de "cartwheel", é o passo crítico para controlar o número de centríolos. O cerne da "cartwheel" é composto de anéis empilhados de Sas-6, uma proteína cuja função depende de Plk4. Postulámos que se o Sas-6 tender para o empilhamento sobre a primeira "cartwheel" que surja, promovendo o seu alongamento, ao invés de formar uma nova, poderia impedir a formação de estruturas supernumerárias e ter em conta ruído nos níveis de Plk4. Por sua vez, dado que uma "cartwheel" corresponde a um único centríolo, isto poderia explicar como o número de centríolos é controlado. Desenvolvemos modelos estocástico de modo a abordar a eficiência do mecanismo de empilhamento no controlo de número de "cartwheels"/centríolos. A nossa análise revela que mesmo taxas de empilhamento relativamente baixas são suficientes para reduzir a taxa a que a segunda "cartwheel" é formada. A taxa média de alongamento, por outro lado, é aproximadamente constante. Adicionalmente, a resposta do sistema à maior disponibilidade de Sas-6 não é linear, o que sugere que há um conjunto de condições nas quais os números de "cartwheels" se mantêm aproximadamente iguais mas o seu comprimento varia. De forma a testar algumas destas previsões, é necessário medir o comprimento das "cartwheels". Propusemos que isto pode ser feito utilizando a distribuição de "aspect ratios" de secções de "cartwheels" geradas aleatoriamente. Efetuámos uma análise de potência e concluímos que este método pode ser utilizado para distinguir entre "cartwheels" de tamanhos diferentes. Adicionalmente, o "aspect ratio" médio pode ser usado como um estimador do comprimento de "cartwheels", pelo menos num determinado intervalo de valores. A nossa análise sugere que o mecanismo de empilhamento proposto pode permitir que a célula controle o número de "cartwheels" e, presumivelmente, de centríolos. Este mecanismo também resulta numa distribuição do comprimento das "cartwheels". Sugerimos um método que pode simplificar o procedimento experimental para medir estes comprimentos.
