Recursion quantification analysis reveals a cellular morphodynamics - ERK activity recursive relationship
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Date
2022
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Abstract
One of the enigmas of cellular biology is the process by which eukaryotic cells,
abandoning their unitary role, organize to form complex systems of organs. Despite
the details of such pattern emergence process are yet to be elucidated, there is a
significant degree of coordination among adjacent cells. For decades, several proteins
have been monitored to track cellular communication. Although advancements have
been made regarding our understanding of the internal cellular signaling network,
there is no clear answer regarding how cells can communicate. One of the most
studied families of proteins is the Extracellular-signal-regulated-kinases. Due to its
myriad interactions and influence over most major cellular processes, it has been
established as a central node in the cellular signaling network. However, the number
of studies regarding its dynamic behavior is limited. Although its connection with
cellular morphodynamics has also been well-documented, there is no consensus on
the time scale of their relationship.
By studying ERK's dynamics upon growth factor stimulation, we found that the
local cellular environment influences ERK's activation tendencies. Nonetheless, this
effect is more significant at low growth factor concentrations. We employed a nonlinear
dynamics multidimensional analysis to explore the existence of recurring
patterns within ERK dynamics and cellular morphodynamics. We focused on the highfrequency
components of each of these dynamics during the basal state of cells and
after either EGF or HRG stimulation. After cells were exposed to cell-fate-decision
induing dosages of growth factors, our analysis showed an increase in the persistence
of ERK dynamics and cellular morphodynamics recurrence patterns. Furthermore,
we found that the recurrences that exist within ERK dynamics and cellular
morphodynamics occur at similar time scales. Moreover, our results showed that these
two dynamic processes are intrinsically related, and their relationship is not modified
upon growth factor stimulation.
By extending the recurrence analysis to neighboring cells' dynamic behavior,
we corroborated our findings on the influence of the local cellular environment on ERK
dynamics and cellular morphodynamics. ERK dynamics in neighboring cells kept their
communication pattern after EGF stimulation. However, cellular morphodynamics
between neighboring cells synchronized only after stimulation with low concentrations
of EGF.
Our work sets the framework for conceiving ERK dynamics and cellular
morphodynamics as inseparable processes. It also sheds light on conceptualizing
cellular communication as a process that could occur via physiological concentrations
of EGF among MCF-7 cells.
Eines der Rätsel der Zellbiologie ist der Prozess, durch den sich eukaryotische Zellen unter Aufgabe ihrer einheitlichen Rolle zu komplexen Organsystemen organisieren. Obwohl die Einzelheiten eines solchen Musterbildungsprozesses noch nicht geklärt sind, gibt es ein erhebliches Maß an Koordination zwischen benachbarten Zellen. Seit Jahrzehnten werden verschiedene Proteine überwacht, um die zelluläre Kommunikation zu verfolgen. Obwohl unser Verständnis des internen zellulären Signalnetzwerks Fortschritte gemacht hat, gibt es keine klare Antwort darauf, wie Zellen kommunizieren können. Eine der am meisten untersuchten Proteinfamilien ist die der extrazellulären signalregulierten Kinasen. Aufgrund ihrer unzähligen Interaktionen und ihres Einflusses auf die meisten wichtigen zellulären Prozesse hat sie sich als zentraler Knotenpunkt im zellulären Signalnetzwerk etabliert. Die Zahl der Studien zu ihrem dynamischen Verhalten ist jedoch begrenzt. Obwohl sein Zusammenhang mit der zellulären Morphodynamik gut dokumentiert ist, gibt es keinen Konsens über die Zeitskala ihrer Beziehung. Bei der Untersuchung der ERK-Dynamik nach Stimulation durch Wachstumsfaktoren haben wir festgestellt, dass die lokale zelluläre Umgebung die Aktivierungstendenzen von ERK beeinflusst. Dieser Effekt ist jedoch bei niedrigen Konzentrationen des Wachstumsfaktors stärker ausgeprägt. Wir setzten eine multidimensionale Analyse der nichtlinearen Dynamik ein, um die Existenz wiederkehrender Muster innerhalb der ERK-Dynamik und der zellulären Morphodynamik zu untersuchen. Wir konzentrierten uns auf die hochfrequenten Komponenten jeder dieser Dynamiken während des Grundzustands der Zellen und nach EGF- oder HRG-Stimulation. Nachdem die Zellen einer den Zellzustand beeinflussenden Dosis von Wachstumsfaktoren ausgesetzt wurden, zeigte unsere Analyse eine Zunahme der Persistenz der ERK-Dynamik und der zellulären Morphodynamik-Rezidivmuster. Darüber hinaus stellten wir fest, dass die Wiederholungen innerhalb der ERK-Dynamik und der zellulären Morphodynamik auf ähnlichen Zeitskalen auftreten. Darüber hinaus zeigten unsere Ergebnisse, dass diese beiden dynamischen Prozesse eng miteinander verbunden sind und ihre Beziehung durch die Stimulation mit Wachstumsfaktoren nicht verändert wird. Indem wir die Rekurrenzanalyse auf das dynamische Verhalten benachbarter Zellen ausdehnten, konnten wir unsere Erkenntnisse über den Einfluss der lokalen zellulären Umgebung auf die ERK-Dynamik und die zelluläre Morphodynamik untermauern. Die ERK-Dynamik in benachbarten Zellen behielt ihr Kommunikationsmuster nach der EGF-Stimulation bei. Die zelluläre Morphodynamik zwischen benachbarten Zellen synchronisierte sich jedoch nur nach Stimulation mit niedrigen EGF-Konzentrationen. Unsere Arbeit bildet den Rahmen, um die ERK-Dynamik und die zelluläre Morphodynamik als untrennbare Prozesse zu begreifen. Sie wirft auch ein Licht auf die Vorstellung, dass zelluläre Kommunikation ein Prozess ist, der durch physiologische EGF-Konzentrationen zwischen MCF-7-Zellen stattfinden könnte.
Eines der Rätsel der Zellbiologie ist der Prozess, durch den sich eukaryotische Zellen unter Aufgabe ihrer einheitlichen Rolle zu komplexen Organsystemen organisieren. Obwohl die Einzelheiten eines solchen Musterbildungsprozesses noch nicht geklärt sind, gibt es ein erhebliches Maß an Koordination zwischen benachbarten Zellen. Seit Jahrzehnten werden verschiedene Proteine überwacht, um die zelluläre Kommunikation zu verfolgen. Obwohl unser Verständnis des internen zellulären Signalnetzwerks Fortschritte gemacht hat, gibt es keine klare Antwort darauf, wie Zellen kommunizieren können. Eine der am meisten untersuchten Proteinfamilien ist die der extrazellulären signalregulierten Kinasen. Aufgrund ihrer unzähligen Interaktionen und ihres Einflusses auf die meisten wichtigen zellulären Prozesse hat sie sich als zentraler Knotenpunkt im zellulären Signalnetzwerk etabliert. Die Zahl der Studien zu ihrem dynamischen Verhalten ist jedoch begrenzt. Obwohl sein Zusammenhang mit der zellulären Morphodynamik gut dokumentiert ist, gibt es keinen Konsens über die Zeitskala ihrer Beziehung. Bei der Untersuchung der ERK-Dynamik nach Stimulation durch Wachstumsfaktoren haben wir festgestellt, dass die lokale zelluläre Umgebung die Aktivierungstendenzen von ERK beeinflusst. Dieser Effekt ist jedoch bei niedrigen Konzentrationen des Wachstumsfaktors stärker ausgeprägt. Wir setzten eine multidimensionale Analyse der nichtlinearen Dynamik ein, um die Existenz wiederkehrender Muster innerhalb der ERK-Dynamik und der zellulären Morphodynamik zu untersuchen. Wir konzentrierten uns auf die hochfrequenten Komponenten jeder dieser Dynamiken während des Grundzustands der Zellen und nach EGF- oder HRG-Stimulation. Nachdem die Zellen einer den Zellzustand beeinflussenden Dosis von Wachstumsfaktoren ausgesetzt wurden, zeigte unsere Analyse eine Zunahme der Persistenz der ERK-Dynamik und der zellulären Morphodynamik-Rezidivmuster. Darüber hinaus stellten wir fest, dass die Wiederholungen innerhalb der ERK-Dynamik und der zellulären Morphodynamik auf ähnlichen Zeitskalen auftreten. Darüber hinaus zeigten unsere Ergebnisse, dass diese beiden dynamischen Prozesse eng miteinander verbunden sind und ihre Beziehung durch die Stimulation mit Wachstumsfaktoren nicht verändert wird. Indem wir die Rekurrenzanalyse auf das dynamische Verhalten benachbarter Zellen ausdehnten, konnten wir unsere Erkenntnisse über den Einfluss der lokalen zellulären Umgebung auf die ERK-Dynamik und die zelluläre Morphodynamik untermauern. Die ERK-Dynamik in benachbarten Zellen behielt ihr Kommunikationsmuster nach der EGF-Stimulation bei. Die zelluläre Morphodynamik zwischen benachbarten Zellen synchronisierte sich jedoch nur nach Stimulation mit niedrigen EGF-Konzentrationen. Unsere Arbeit bildet den Rahmen, um die ERK-Dynamik und die zelluläre Morphodynamik als untrennbare Prozesse zu begreifen. Sie wirft auch ein Licht auf die Vorstellung, dass zelluläre Kommunikation ein Prozess ist, der durch physiologische EGF-Konzentrationen zwischen MCF-7-Zellen stattfinden könnte.
Description
Table of contents
Keywords
ERK dynamics, Cellular morphodynamics, Non-linear dynamics, Recurrence analysis