Coupled Mutual Inhibition and Mutual Activation Motifs as Tools for Cell-Fate Control

多稳态 双稳态 计算机科学 基因调控网络 正面反馈 细胞命运测定 反馈回路 生物系统 非正面反馈 反馈控制 表达式(计算机科学) 控制理论(社会学) 拓扑(电路) 控制(管理) 生物 基因表达 物理 非线性系统 基因 人工智能 数学 转录因子 遗传学 控制工程 工程类 电压 计算机安全 组合数学 程序设计语言 电气工程 量子力学
作者
Burhanuddin Sabuwala,Kishore Hari,Abhishek Shanmuga Vengatasalam,Mohit Kumar Jolly
标识
DOI:10.1159/000529558
摘要

Multistability is central to biological systems. It plays a crucial role in adaptation, evolvability, and differentiation. The presence of positive feedback loops can enable multistability. The simplest of such feedback loops are (a) a mutual inhibition (MI) loop, (b) a mutual activation (MA) loop, and (c) self-activation. While it is established that all three motifs can give rise to bistability, the characteristic differences in the bistability exhibited by each of these motifs is relatively less understood. Here, we use dynamical simulations across a large ensemble of parameter sets and initial conditions to study the bistability characteristics of these motifs. Furthermore, we investigate the utility of these motifs for achieving coordinated expression through cyclic and parallel coupling amongst them. Our analysis revealed that MI-based architectures offer discrete and robust control over gene expression, multistability, and coordinated expression among multiple genes, as compared to MA-based architectures. We then devised a combination of MI and MA architectures to improve coordination and multistability. Such designs help enhance our understanding of the control structures involved in robust cell-fate decisions and provide a way to achieve controlled decision-making in synthetic systems.

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