Design principles in two component systems and his-asp phosphorelays

Abstract

L’objectiu d’aquesta tesi és trobar principis generals que permetin relacionar l’estructura i les propietats funcionals dels circuits moleculars de transducció de senyals two-component systems (TCS) i his-asp phosphorelays (PR). La tesi s’inicia revisant els mètodes usats per a l’estudi de principis de disseny en sistemes moleculars i alguns dels resultats obtinguts fins ara, i discutint la importància de l’estudi dels principis de disseny. A continuació, explorem els proteomes seqüenciats de més de 7000 organismes i fem un inventari dels diferents tipus d’organització en operons i proteïnes multidomini dels dominis proteics que intervenen en TCS i PR. A partir d’aquesta informació deduirem alternatives existents en la natura pel que fa al disseny d’aquests circuits moleculars. Per acabar, comparem mitjançant modelització matemàtica el comportament dinàmic de 3 circuits diferents de TCS, i trobem que un tercer component que modula l’activitat de la histidina quinasa o bé el response regulator pot modificar l’espai paramètric on el sistema es comporta de forma biestable.

El objectivo principal de esta tesis es la búsqueda de principios de diseño que relacionen la estructura y la función de redes bioquímicas de transducción de señales, concretamente en two-component systems (TCS) y phosphorelays (PR). La tesis se inicia con una revisión de los métodos usados para el estudio de principios de diseño en sistemas moleculares y algunos de los resultados obtenidos hasta ahora, seguida de una discusión sobre la importancia del estudio de dichos principios de diseño. A continuación, exploramos los proteomas secuenciados de más de 7000 organismos y hacemos un inventario de los distintos tipos de organización en operones o proteínas de los dominios proteicos implicados en TCS y PR, con el objetivo de deducir el repertorio de estructuras existentes en la naturaleza para estos circuitos moleculares. Para terminar, comparamos mediante modelización matemática las propiedades dinámicas de tres circuitos distintos de TCS, y observamos que una proteína adicional que interacciona con la histidina quinasa o con el response regulator modifica el espacio de valores de los parámetros del sistema en el cual existe biestabilidad.

The ultimate goal of this thesis is to set the stage for finding general design principles underlying the relationship between network design and network function in two-component (TCS) and His-Asp phosphorelay (PR) signal transduction systems. This thesis starts with a review of the methods for and results from the study of design principles in molecular systems, and a discussion about the importance of studying those design principles. Next, a survey of the fully sequenced and annotated genomes and proteomes of more than 7000 different organisms is performed in order to identify different types of organizations of the TCS/PR protein domains in operons and multidomain proteins. From this data, the existing diversity of TCS/PR circuit designs will be inferred. Finally, we compare through mathematical modeling the dynamic properties associated with three types of TCS circuit designs, and find that a third component that binds to and modulates the activity of either the sensor kinase or the response regulator can modify the parameter space in which bistability in the system’s response is possible.