Two areas that are particularly suited to mathematical modeling analysis are how molecular signaling pathways process the timing of stimuli and how spatial structure can influence a signaling pathway's dynamics. These topics are explored through specific examples. The timing of stimuli is known to affect the strength of memory formation. This phenomenon has been studied in the sensory-motor neuron synapse of Aplysia. In this system, training that is separated by rest periods (spaced training) leads to persistent changes in synaptic strength that depend on biochemical pathways that are distinct from those that are engaged when the training lacks rest periods (massed training). Applications of serotonin (5HT), the neurotransmitter implicated in inducing these synaptic changes, causes desensitization of PKC Apl II, in a manner that depends on the timing of 5HT stimulation; spaced applications of 5HT cause more desensitization than massed applications of 5HT. We developed a mathematical model of this response to gain insight into how neurons process the timing difference in stimuli. The model represents the trafficking of the 5HT receptor responsible for activating PKC Apl II. Each component of the model was developed incrementally and was experimentally validated. We discovered two major elements of the signaling pathway mediating PKC Apl II desensitization. First, we discovered that PKA activity leads to an increase in the reversal from desensitization. Second, we propose that the mechanism allowing the signaling pathway to differentiate spaced from massed applications of 5HT is largely driven by the rates of synthesis and degradation of a pair of hypothetical proteins, named AD and D, that regulate receptor activity. We further developed the isolated sensory neuron work by experimentally observing the desensitization of PKC Apl II translocation in co-cultured sensory and motor neurons. We found that the formation of a synapse results in a change in the desensitization of PKC Apl II translocation: spaced applications of 5HT no longer caused greater desensitization than massed applications. This finding implies that the sensory neuron has undergone a change during synapse formation in the signaling network regulating the desensitization of PKC Apl II. To explain these changes, we created two new models: one of the cell body of sensory neurons co-cultured with motor neurons and one of the synapses of these neurons. These new models were able to explain the change in desensitization of PKC translocation by making changes to the expression and activity of regulatory proteins. These models provide a signaling pathway mechanism for neurons to encode the timing of stimuli. The model of PKC Apl II desensitization was able to describe these signaling dynamics without taking into consideration the spatial structure of the system. However, the geometry of a system may have a significant impact on a signaling pathway's output. To examine this issue in more detail, we modeled the general case of a signaling pathway with two signaling molecules, an activating species and an inhibiting species forming a negative feedback, which are synthesized at unique sites and interact with each other through diffusion. The dynamical behaviors in these systems depend on the spatial locations of the synthetic sites. In a negative feedback system with two sites, we find two dynamical modes: fixed point and stable oscillations whose frequency can be tuned by varying the distance between the sites. When there are multiple synthetic sites, we find more diverse dynamics, including chaos, quasiperiodicity, and bistability. These studies propose a mechanism for signaling pathways to encode the timing of stimuli, and demonstrate the effects spatial structure can have on signaling output. Furthermore, they provide examples of the use of mathematical modeling in furthering our understanding of molecular signaling networks. / Il est connu que le moment de présentation des stimuli a un effet important sur la force de la mémoire formée. Un excellent modèle pour étudier ce phénomène est la synapse sensori-motrice des neurones de l'aplysie. Dans ce système, une stimulation séparée par des périodes de repos (applications espacées) conduit à des changements persistants au niveau de la force synaptique qui dépend de voies biochimiques différentes de celles qui se produisent lors d'une stimulation sans périodes de repos (applications continues). Récemment, il a été montré que dans les neurones sensoriels isolés, l'application de la sérotonine, qui est le neurotransmetteur impliqué dans l'induction de ces changements synaptiques, entraîne une désensibilisation de la réponse PKC Apl II d'une manière qui dépend du moment précis de la stimulation par la sérotonine. Nous avons développé un modèle mathématique de cette réponse afin de mieux comprendre comment les neurones traitent-ils la différence temporelle entre stimuli. Le modèle représente le trafic du récepteur de la sérotonine responsable de l'activation de PKC. Chaque composante du modèle a été développée progressivement et a été validé expérimentalement. Basée sur ce modèle, nous avons découvert deux éléments majeurs de la voie de signalisation médiatrice de désensibilisation de la PKC. Premièrement, nous avons découvert l'activité PKA conduit également à une augmentation du processus réversible de désensibilisation. Deuxièmement, nous proposons que le mécanisme permettant à la voie de signalisation de différencier l'effet de la sérotonine, dépendamment d'une application espacée ou une application continue, est largement déterminée par les taux de synthèse et de dégradation d'une paire de protéines hypothétiques, que nous nommerons AD et D qui régulent l'activité des récepteurs. Nous avons élargi le travail des neurones sensoriels isolés en observant la désensibilisation de la translocation PKC Apl II dans des co-cultures de neurones sensoriels et moteurs, où le neurone sensoriel forme une connexion synaptique avec le motoneurone. Nous avons constaté que la formation d'une synapse résulte d'un changement de la désensibilisation de la translocation PKC: les applications espacées de 5HT ne sont plus capables de causer une désensibilisation plus importante que celles des applications continues. Ceci peut signifier que, le neurone sensoriel a subi un changement durant la formation de synapses dans le réseau de signalisation régulant l'activation de la PKC. Pour expliquer ces changements, nous avons créé deux nouveaux modèles: l'un dédié aux corps cellulaires des neurones sensoriels co-cultivés avec des neurones moteurs et l'autre aux synapses de ces neurones. Ces nouveaux modèles ont été en mesure d'expliquer le changement dans la désensibilisation de la translocation de la PKC en pratiquant des changements dans les taux de synthèse et de dégradation des proteines AD et D.Le modèle de la translocation PKC Apl II a pu décrire les dynamiques biologiques sans prendre en considération la structure spatiale du système. Néanmoins, la géométrie d'un système peut avoir un impact significatif sur la résultante d'une des voies de signalisation. Ainsi, nous considérons le cas général d'une voie de signalisation ayant deux molécules de signalisation: une espèce activatrice et une espèce inhibitrice avec une rétroactivité négative, qui sont synthétisés dans des sites uniques et qui interagissent les uns avec les autres à travers un processus de diffusion. Les comportements dynamiques de ces systèmes dépendent des localisations spatiales des sites de synthèse. Dans un système de rétroactivité négative à deux sites, on trouve une dynamique à deux modes: point fixe et oscillations stables dont la fréquence peut être ajustée en faisant varier la distance entre les deux sites. Quand il y'a plusieurs sites de synthèse, nous avons constaté une dynamique plutôt diverse, incluant chaos, quasi-périodicité et instabilité.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119609 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Naqib, Faisal |
| Contributors | Christopher Pack (Supervisor1), Edward Ruthazer (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physiology) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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