Systems biology of mammalian cells : mathematical modeling for uncovering metabolic compartmentation

Abstract

Compartmentation contributes at controlling the mammalian metabolism and is important in aging and diseases. Systems biology methods were applied to study compartmentation between cytosol and mitochondria. A mathematical modeling platform for non-stationary 13C metabolic flux analysis (Inst-13CMFA) was developed and tested. It was then extended to model also extracellular labeling. First, fluxes were determined for the CHO-K1 cell line metabolism using only extracellular labeling and one labeled substrate. The results indicate that the cells adapt to sustain fast growth and to manage the complex media. Then, high resolution of compartment fluxes, reversibility and intracompartmental concentrations resulted by applying Inst-13CMFA to data from two labeling experiments. In both studies, pentose phosphate pathway carried a large flux. The produced NADPH is used by fatty acid synthesis and for mitigating oxidative stress. Differences in labeling were described by a model with pyruvate channeling. Selectively permeabilized CHO-K1 cells were fed mitochondrial substrates. Using the elementary mode decomposition of the mitochondrial network, the observed extracellular rates were distributed into elementary mode fluxes. This evidenced activity of pathways and regulatory effects. By combining more systems biology methods, this thesis constructed a larger picture for characterizing the complex metabolism of CHO-K1 cells and uncovered many new characterstics of metabolic compartmentation.

Die Kompartimentierung des Stoffwechsels trägt dazu bei den Stoffwechsel des Säugetiers zu regulieren. Methoden aus der Systembiologie wurden angewendet um die Kompartimentierung zu untersuchen. Eine Modellierungsplattform für nichtstationäre 13C Stoffwechsel-Flussanalyse (Inst-13CMFA) wurde erarbeitet und getestet. Die Plattform wurde erweitert um Änderungen in der extrazellulären Isotopenmarkierung aufzunehmen. Flüsse wurden für die CHO-K1 Zelllinien bestimmt durch die Verwendung von extrazellulärer Markierung. Flusswerte deuten darauf hin, dass sich die Zellen hinsichtlich schnellem Wachstum und der komplexen Medienzusammensetzung anpassen. Eine hohe Auflösung von Parametern wurde erreicht, indem Inst-13CMFA auf die Daten aus zwei Markierungsexperimenten angewendet wurde. In beiden Studien trug die Pentosephosphatweg einen hohen Fluss um NADPH zur Fettsäuresynthese und um oxidativen Stress zu vermeiden. Weiterhin lieferte das Channeling von Pyruvat eine Erklärung für Unterschiede Markierungen. Selektiv permeabilisierten CHO-K1 Zellen wurden verschiedene Substrate zugeführt. Unter Anwendung der Elementarmoden Zerlegung auf das mitochondriale Netzwerk konnte die Aktivität von Stoffwechselpfaden und regulierenden Effekten belegt werden. Indem weitere Methoden der Systembiologie angewandt wurden, trägt diese Dissertation dazu bei ein umfassenderes Bild des Stoffwechsels von CHO-K1 Zellen zu erstellen. Gleichzeitig wurden neue Fragen in Bezug auf Kompartmentflüsse aufgeworfen.