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2016-12-13Dissertation DOI: 10.18452/17660
Information processing in cellular signaling
dc.contributor.authorUschner, Friedemann
dc.date.accessioned2017-06-18T15:36:05Z
dc.date.available2017-06-18T15:36:05Z
dc.date.created2016-12-16
dc.date.issued2016-12-13
dc.identifier.urihttp://edoc.hu-berlin.de/18452/18312
dc.description.abstractInformation spielt in der Natur eine zentrale Rolle. Als intrinsischer Teil des genetischen Codes ist sie das Grundgerüst jeder Struktur und ihrer Entwicklung. Im Speziellen dient sie auch Organismen, ihre Umgebung wahrzunehmen und sich daran anzupassen. Die Grundvoraussetzung dafür ist, dass sie Information ihrer Umgebung sowohl messen als auch interpretieren können, wozu Zellen komplexe Signaltransduktionswege entwickelt haben. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf Signalprozesse in S.cerevisiae die von osmotischem Stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) Signalweg) und der Stimulation mit α-Faktor (Pheromon Signalweg) angesprochen werden. Wir wenden stochastische Modelle an, die das intrinsische Rauschen biologischer Prozesse darstellen können, um verstehen zu können wie Signalwege die ihnen zur Verfügung stehende Information umsetzen. Informationsübertragung wird dabei mit einem Ansatz aus Shannons Informationstheorie gemessen, indem wir sie als einen Kanal in diesem Sinne auffassen. Wir verwenden das Maß der Kanalkapazität, um die Genauigkeit des Phosphorelays einschränken zu können. In diesem Modell, simuliert mit dem Gillespie Algorithmus, können wir durch die Analyse des Signalverhaltens den Parameterraum zusätzlich stark einschränken. Eine weitere Herangehensweise der Signalverarbeitung beschäftigt sich mit dem “Crosstalk” zwischen HOG und Pheromon Signalweg. Wir zeigen, dass die Kontrolle der Signalspezifizität vor allem bei Scaffold-Proteinen liegt, die Komponenten der Signalkaskade binden. Diese konservierten Motive zellulärer Signaltransduktion besitzen eine geeignete Struktur, um Information getreu übertragen zu können. Im letzten Teil der Arbeit untersuchen wir potentielle Gründe für die evolutionäre Selektion von Scaffolds. Wir zeigen, dass ihnen bereits durch die Struktur des Mechanismus möglich ist, Informationsgenauigkeit zu verbessern und einer verteilten Informationsweiterleitung sowohl dadurch als auch durch ihre Robustheit überlegen sind.ger
dc.description.abstractInformation plays a ubiquitous role in nature. It provides the basis for structure and development, as it is inherent part of the genetic code. It also enables organisms to make sense of their environments and react accordingly. For this, a cellular interpretation of information is needed. Cells have developed sophisticated signaling mechanisms to fulfill this task and integrate many different external cues with their help. Here we focus on signaling that senses osmotic stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) pathway) as well as α-factor stimulation (pheromone pathway) in S.cerevisiae. We employ stochastic modeling to simulates the inherent noisy nature of biological processes to assess how systems process the information they receive. This information transmission is evaluated with an information theoretic approach by interpreting signal transduction as a transmission channel in the sense of Shannon. We use channel capacity to both constrain as well as quantify the fidelity in the phosphorelay system of the HOG pathway. In this model, simulated with the Gillespie Algorithm, the analysis of signaling behavior allows us to constrain the possible parameter sets for the system severely. A further approach to signal processing is concerned with the mechanisms that conduct crosstalk between the HOG and the pheromone pathway. We find that the control for signal specificity lies especially with the scaffold proteins that tether signaling components and facilitate signaling by trans-location to the membrane and shielding against miss-activation. As conserved motifs of cellular signal transmission, these scaffold proteins show a particularly well suited structure for accurate information transmission. In the last part of this thesis, we examine the potential reasons for an evolutionary selection of the scaffolding structure. We show that due to its structure, scaffolds are increasing information transmission fidelity and outperform a distributed signal in this regard.eng
dc.language.isoeng
dc.publisherHumboldt-Universität zu Berlin, Lebenswissenschaftliche Fakultät
dc.rightsNamensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/
dc.subjectInformationstheorieger
dc.subjectSystembiologieger
dc.subjectstochastische Modellierungger
dc.subjectS.cerevisiaeger
dc.subjectzelluläre Signaltransduktionger
dc.subjectHOG Signalwegger
dc.subjectPheromon Signalwegger
dc.subjectScaffoldingger
dc.subjectChemische Master Gleichungger
dc.subjectmoment closureger
dc.subjectsystems biologyeng
dc.subjectinformation theoryeng
dc.subjectS.cerevisiaeeng
dc.subjectcellular signalingeng
dc.subjectHOG pathwayeng
dc.subjectpheromone pathwayeng
dc.subjectscaffoldingeng
dc.subjectstochastic modelingeng
dc.subjectchemical master equationeng
dc.subjectmoment closureeng
dc.subject.ddc570 Biologie
dc.titleInformation processing in cellular signaling
dc.typedoctoralThesis
dc.identifier.urnurn:nbn:de:kobv:11-100242600
dc.identifier.doihttp://dx.doi.org/10.18452/17660
dc.identifier.alephidBV043967084
dc.date.accepted2015-10-22
dc.contributor.refereeKlipp, Edda
dc.contributor.refereeHerzel, Hanspeter
dc.contributor.refereeBlüthgen, Nils
dc.subject.dnb32 Biologie
dc.subject.rvkWE 5320
dc.subject.rvkWC 7700
local.edoc.pages161
local.edoc.type-nameDissertation
local.edoc.institutionLebenswissenschaftliche Fakultät

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