Spatio-temporal dynamics of intercellular Notch signaling: a modeling approach

Abstract

Intercellular signalling is a mechanism by which cells communicate and mediate coordinated responses. In this Thesis we perform theoretical and computational analyses to evaluate spatio-temporal organizations that can arise in developing embryos through juxtacrine signalling mediated by Notch receptor. Juxtacrine signalling is a type of intercellular communication in which adjacent cells mutually interact through membrane-attached proteins (receptors and ligands). In the case of Notch signalling, the ligands are regulated by the signalling, establishing a feedback loop on the activation of the signal between adjacent cells.

Our study focused on the following open questions:

1. What coordinated responses arise when Notch signalling is activated by two (or more) co-expressing ligands?

2. What is the effect on the response mediated by Notch signalling when

considering a gene involved in cell differentiation that promotes it on transcription, but in turn is repressed by the signal?

3. Which processes can modulate the signalling efficiency of a ligand?

These questions encompass aspects occurring at different levels, ranging from the type of response that arises in a tissue (salt-and-pepper patterning, homogeneous states or propagation of a cell fate in an expansive wave), the signalling state of cells (sending, receiver, among others), up to the dynamics of the intracellular processing of Notch. We used a modelling and computational approach for their study and compared, when possible, with previously reported phenotypes in developing embryos.

La vía de señalización de Notch es un mecanismo de comunicación inter-celular yuxtacrina. La señal de Notch se activa tras la unión del ligando en una célula con el receptor en otro célula adyacente. La vía de Notch está ampliamente asociada a respuestas de coordinación espacio-temporal que ocurren durante el desarrollo de Metazoos, como es la formación de los patrones salt-and-pepper. Cómo Notch puede mediar este tipo de respuestas es una pregunta de gran interés tanto en física de sistemas alejados del equilibrio como en biología del desarrollo. Numerosos trabajos experimentales y teóricos han servido para entender el funcionamiento de la vía de Notch y su papel en la formación de respuestas complejas. Sin embargo, quedan ciertas preguntas sin responder aún. En esta Tesis abordamos algunas de estas cuestiones, utilizando una aproximación teórica y computacional y comparando nuestros resultados cuando es posible con fenotipos publicados con anterioridad. Las preguntas abordadas son:

1. Es bien sabido que la señal de Notch puede ser activada por distintos tipos de ligando, los cuales pueden expresarse simultáneamente durante el desarrollo. Por tanto nos preguntamos, ¿Qué respuestas de coordinación espacio-temporal surgen cuando la señal de Notch es activada por varios tipos de ligando? Nuestros resultados evalúan la relevancia de compartir y competir por recursos para la señalización y de diferencias de la eficiencia de señalización entre ligandos en la aparcición de organizaciones espacio- temporales (patrones periódicos de dos tipos celulares, por ejemplo) y en los estados de señalización de las células.

2. Es conocido que la inhibición lateral mutua entre células adyacentes mediada por Notch es un mecanismo suficiente para generar patrones periódicos de dos tipos celulares. Además, la vía de Notch implica numerosos pasos, entre ellos, retroalimentaciones positivas dentro de la propia célula de los genes que regulan la diferenciación. ¿Qué efecto tiene esta retroalimentación en la respuesta mediada por Notch? Nuestros resultados muestran que dicha auto-activación hace robusta la diferenciación celular.

3. Diferentes ligandos pueden activar distintos niveles de la señal de Notch. Estas diferencias pueden estar mediadas por modificaciones post-transduccionales del receptor Notch. Nos preguntamos ¿Qué procesos durante la formación de la señal pueden modular la eficiencia de señalización de los ligandos? Nuestros resultados muestran cómo la eficiencia de señalización de un ligando depende de la dinámica de procesamiento y degradación del complejo receptor-ligando.