Computergestützte Epidemiologie
Mathematische Modellierung
Simulation
DE | EN | FR

Seneszenz in Ciliaten

Stylonychia
Sich teilende Stylonychia

Ungeschlechtlich sich fortpflanzende Ciliaten zeigen Seneszenz-Erscheinungen, die im allgemeinen degenerativen Prozessen im Makronukleus zugeschrieben werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein Verlust von Lebensfähigkeit durch den Verlust von genetischem Material verursacht wird. Weiterhin wird angenommen, dass sich das ployploide Genom des Makronukleus während einer Teilung eines Hypotrichen zufällig auf die beiden Tochterzellen aufteilt, was zu ungleich verteilten Genomen führen könnte (Aneuploidie). Es ist dabei aber nicht geklärt, in welchem Ausmaß Aneuploidie als Folge solcher stochastischer Prozesse auftreten kann und ob es regulatorische Prozesse gibt, die einer Aneuploidie entgegenwirken können. Daher gibt es zwei Modellvorstellungen für die Gründe von Seneszens bei Ciliaten:

  • Beim stochastischen Modell wird davon ausgegangen, dass die Zufallsprozesse alleine das Auftreten von Seneszenz erklären können: Durch das Fehlen von regulatorischen Prozessen wäre Aneuploidie über Generationen hinweg vererbbar und würde akkumulieren bis zu derjenigen Teilung, bei der eine der beiden Tochterzellen keine Kopie mehr eines Gens erhält und infolgedessen stirbt.
  • Beim regulatorischen Modell wird davon ausgegangen, dass die Zufallsprozesse zu starker Aneuploidie führen können und ein schnelles Aussterben von ungeschlechtlich sich fortpflanzenden Ciliaten implizieren. Demzufolge bedarf es regulatorischer Prozesse, die der Aufrechterhaltung eines stabilen, euploiden Genoms dienen und so ein vorzeitiges Aussterben verhindern.

Es ist also zu klären, in welchem Umfang Aneuploidie im Ciliaten-Genom als Folge von stochastischen Prozessen während ungeschlechtlicher Fortpflanzung auftreten kann.

Ergebnisse: Wir haben das regulatorische und das stochastische Modell im Hinblick auf die Zahl der Generationen, die ungeschlechtlich sich fortpflanzende Hypotriche überleben können, untersucht (Duerr et al., 2004; Abstract). Für beide Modelle werden einfache Formeln entwickelt, die die ungefähre Überlebenszeit unter den jeweilegen Annahmen vorhersagen können. Im Gegensatz zum regulatorischen Modell, das Seneszenz in Hypotrichen nicht erklären kann, führt das stochastische Modell zu plausiblen Überlebensdauern, die allerdings stark von den Annahmen über die Verteilung der Kopienzahlen der einzelnen Gene im Makronukleus abhängen. Unsere Modellvorhersagen zeigen, dass weiterführende Erklärungen von Seneszenz bei Ciliaten nur dann möglich sind, wenn die Verteilungen dieser Kopienzahlen bekannt ist.

Schaubilder

Überlebenszeiten (linke Grafen, A1-C1, jeweils erhalten aus 1 000 unabhängigen Simulationen) von sich ungeschlechtlich fortpflanzenden Hypotrichen unter drei verschiedenen Verteilungen von Kopienzahlen (rechte Grafen, A2-C2). In allen drei Fällen A-C beträgt die Zahl der Chromosomen im Makronukleus G=15 000 und die anfängliche, mittlere Kopienzahl pro Chromosom beträgt unmittelbar vor der Replikation mn=15 000. Die Gesamtzahl der Chromosomen summiert sich auf damit N=2.25*108 Chromosomen. In der rechten Spalte ist die Verteilung der Kopienzahlen in der ersten Zelle mit grauen Balken, und die Verteilung der Kopienzahlen in der letzten, lebensfähigen Zelle mit schwarzen Balken veranschaulicht (* in A2 repräsentiert die höchste Kopienzahl). A: alle Chromosomen des Makronukleus sind vor der Replikation mit einer identischen Zahl von n=15 000 Kopien vorhanden. B: die Kopienzahl ist anfänglich gleichverteilt im Intervall [1 000 ; 29 000]. C: die anfängliche Kopienzahl beträgt für alle Chromosomen im Makronukleus n=15 000, ausser für ein Chromosom, das nur durch 1 000 Kopien vertreten ist (durch einen Pfeil in C2 veranschaulicht). Die roten Kurven in (A) und (B) repräsentieren Normalverteilungen, die an das Simulationsergebnis angepasst wurden.

Methoden: Im Gegensatz zum regulatorischen Modell, das durch einen einfachen Binomialausdruck formuliert werden kann, musste das stochastische Modell durch Computer-Simulationen untersucht werden.

Literatur:

  • Duerr, HP, Eichner M, Ammermann D, 2004. Modeling senescence in hypotrichous ciliates. Protist 155: 45-52. (Abstract)