Density-Profile Processes Describing Biological Signaling Networks: Almost Sure Convergence to Deterministic Trajectories

We introduce jump processes in R(k), called density-profile processes, to model biological signaling networks. Our modeling setup describes the macroscopic evolution of a finite-size spin-flip model with k types of spins with arbitrary number of internal states interacting through a non-reversible stochastic dynamics. We are mostly interested on the multi-dimensional empirical-magnetization vector in the thermodynamic limit, and prove that, within arbitrary finite time-intervals, its path converges almost surely to a deterministic trajectory determined by a first-order (non-linear) differential equation with explicit bounds on the distance between the stochastic and deterministic trajectories. As parameters of the spin-flip dynamics change, the associated dynamical system may go through bifurcations, associated to phase transitions in the statistical mechanical setting. We present a simple example of spin-flip stochastic model, associated to a synthetic biology model known as repressilator, which leads to a dynamical system with Hopf and pitchfork bifurcations. Depending on the parameter values, the magnetization random path can either converge to a unique stable fixed point, converge to one of a pair of stable fixed points, or asymptotically evolve close to a deterministic orbit in Rk. We also discuss a simple signaling pathway related to cancer research, called p53 module.

Evidence of a Ca(2+)-(center dot)NO-cGMP signaling pathway controlling zoospore biogenesis in the aquatic fungus Blastocladiella emersonii

The sporulation stage of the aquatic fungus Blastocladiella emersonii culminates with the formation and release to the medium of a number of zoospores, which are motile cells responsible for the dispersal of the fungus. The presence in the sporulation solution of 1H-[1,2,4]Oxadiazolo[4,3-a]quinoxalin-1-one (ODQ), a potent and selective inhibitor of nitric oxide-sensitive guanylyl cyclases, completely prevented biogenesis of the zoospores. In addition, this compound was able to significantly reduce cGMP levels, which increase drastically during late sporulation, suggesting the existence of a nitric oxide-dependent mechanism for cGMP synthesis. Furthermore, increased levels of nitric oxide-derived products were detected during sporulation by fluorescence assays using DAF-2 DA, whose signal was drastically reduced in the presence of the nitric oxide synthase inhibitor N omega-Nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME). These results were confirmed by quantitative chemiluminescent determination of the intracellular levels of nitric oxide-derived products. A putative nitric oxide synthase (NOS) activity was detected throughout sporulation, and this enzyme activity decreased significantly when L-NAME and 1-[2-(Trifluoromethyl)phenyl]imidazole (TRIM) were added to the assays. NOS assays carried out in the presence of EGTA showed decreased enzyme activity, suggesting the involvement of calcium ions in enzyme activation. Additionally, expressed sequence tags (ESTs) encoding putative guanylyl cyclases and a cGMP-phosphodiesterase were found in B. emersonii EST database (http://blasto.iq.usp.br), and the mRNA levels of the corresponding genes were observed to increase during sporulation. Altogether, data presented here revealed the presence and expression of guanylyl cyclase and cGMP phosphodiesterase genes in B. emersonii and provided evidence of a Ca(2+)-(center dot)NO-cGMP signaling pathway playing a role in zoospore biogenesis. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Endocytosis of prion protein is required for ERK1/2 signaling induced by stress-inducible protein 1

The secreted cochaperone STI1 triggers activation of protein kinase A (PKA) and ERK1/2 signaling by interacting with the cellular prion (PrPC) at the cell surface, resulting in neuroprotection and increased neuritogenesis. Here, we investigated whether STI1 triggers PrPC trafficking and tested whether this process controls PrPC-dependent signaling. We found that STI1, but not a STI1 mutant unable to bind PrPC, induced PrPC endocytosis. STI1-induced signaling did not occur in cells devoid of endogenous PrPC; however, heterologous expression of PrPC reconstituted both PKA and ERK1/2 activation. In contrast, a PrPC mutant lacking endocytic activity was unable to promote ERK1/2 activation induced by STI1, whereas it reconstituted PKA activity in the same condition, suggesting a key role of endocytosis in the former process. The activation of ERK1/2 by STI1 was transient and appeared to depend on the interaction of the two proteins at the cell surface or shortly after internalization. Moreover, inhibition of dynamin activity by expression of a dominant-negative mutant caused the accumulation and colocalization of these proteins at the plasma membrane, suggesting that both proteins use a dynamin-dependent internalization pathway. These results show that PrPC endocytosis is a necessary step to modulate STI1-dependent ERK1/2 signaling involved in neuritogenesis.

Expression Profile of Rat Hippocampal Neurons Treated with the Neuroprotective Compound 2,4-Dinitrophenol: Up-Regulation of cAMP Signaling Genes

2,4-Dinitrophenol (DNP) is classically known as a mitochondrial uncoupler and, at high concentrations, is toxic to a variety of cells. However, it has recently been shown that, at subtoxic concentrations, DNP protects neurons against a variety of insults and promotes neuronal differentiation and neuritogenesis. The molecular and cellular mechanisms underlying the beneficial neuroactive properties of DNP are still largely unknown. We have now used DNA microarray analysis to investigate changes in gene expression in rat hippocampal neurons in culture treated with low micromolar concentrations of DNP. Under conditions that did not affect neuronal viability, high-energy phosphate levels or mitochondrial oxygen consumption, DNP induced up-regulation of 275 genes and down-regulation of 231 genes. Significantly, several up-regulated genes were linked to intracellular cAMP signaling, known to be involved in neurite outgrowth, synaptic plasticity, and neuronal survival. Differential expression of specific genes was validated by quantitative RT-PCR using independent samples. Results shed light on molecular mechanisms underlying neuroprotection by DNP and point to possible targets for development of novel therapeutics for neurodegenerative disorders.

Defining the role of common variation in the genomic and biological architecture of adult human height

Using genome-wide data from 253,288 individuals, we identified 697 variants at genome-wide significance that together explained one-fifth of the heritability for adult height. By testing different numbers of variants in independent studies, we show that the most strongly associated ∼2,000, ∼3,700 and ∼9,500 SNPs explained ∼21%, ∼24% and ∼29% of phenotypic variance. Furthermore, all common variants together captured 60% of heritability. The 697 variants clustered in 423 loci were enriched for genes, pathways and tissue types known to be involved in growth and together implicated genes and pathways not highlighted in earlier efforts, such as signaling by fibroblast growth factors, WNT/β-catenin and chondroitin sulfate-related genes. We identified several genes and pathways not previously connected with human skeletal growth, including mTOR, osteoglycin and binding of hyaluronic acid. Our results indicate a genetic architecture for human height that is characterized by a very large but finite number (thousands) of causal variants.2014

Homo infidelis : preferências, assimetria de informação e signaling

No presente trabalho analisamos a eficácia de estratégias de signaling no contexto do relacionamento extra-diádico. Adicionalmente, mensuramos tanto as preferências declaradas quanto as reveladas pelos indivíduos em suas interações no ambiente virtual, comparando gêneros e países. Pesquisas anteriores sobre a temática extra-diádica apoiaram-se excessivamente sobre metodologias com substanciais lacunas: baixo número de observações, universo amostral restrito a estudantes universitários, viéis auto-declaratório comprometendo a correta interpretação da realidade dos fatos, e ausência de comparativos internacionais. Todas essas ponderações foram superadas no presente estudo, no qual analisamos 100 mil indivíduos, sendo 6 mil homens e 4 mil mulheres para cada um dos 10 países da amostra: Argentina, Austrália, Brasil, Canadá, Chile, Itália, México, Espanha, Reino Unido e Estados Unidos. Assim, temos um universo amostral plúrimo em termos de nacionalidade e número de observações. As evidências empíricas aqui reveladas mostraram que indivíduos do sexo masculino são mais ativos na conquista extra-conjugal, refutando a sugestão de uma convergência comportamental. Homens contactaram em média per capita 30 mulheres diferentes no horizonte temporal de 3 meses, contra 13 na direção oposta. Em termos de preferências físicas, constatamos que indivíduos de âmbos os gêneros procuram consumar a relação com uma contraparte idealizada. Mulheres mostram interesse por homens altos e experientes. Os homens querem mulheres mais novas e em forma. Homens baixos ou novos, e mulheres altas ou velhas, foram os mais rechaçados da amostra. Com relação às preferências declaradas e reveladas sobre o tipo de encontro extra-diádico almejado, tanto homens quanto mulheres mostraram maior interesse por um “caso rápido”, indicando o intuito de estabelecer um contato pouco aprofundado, casual, de cunho físico-sexual e com baixa vinculação afetiva. A opção menos escolhida foi “um caso virtual”, sugerindo a efetiva intenção de concretizar a infidelidade, e não mantê-la restrita ao ambiente virtual. Por fim, verificamos que as estratégias de signaling analisadas (por meio de foto, feedback e presente virtual) foram fortemente eficazes. Em todos os casos indivíduos que adotaram tais sinalizações obtiveram substancial vantagem competitiva em relação aos demais e passaram a exercer maior atratividade, recebendo elevada parcela de mensagens e contatos.

Bank dividends and signaling to information-sensitive depositors

Esta tese investiga se a composição do endividamento dos bancos afeta sua política de dividendos. Identificou-se que investidores sensíveis a informações (investidores institucionais) são alvos de sinalização através de dividendos por parte dos bancos. Utilizando uma base de dados exclusiva de bancos brasileiros, foi possível identificar vários tipos de credores, especificamente, investidores institucionais, empresas não financeiras e pessoas físicas, que são alvos potenciais de sinalização por dividendos. Adicionalmente, a existência de vários bancos de capital fechado, controlados e geridos por um pequeno grupo de acionistas, em que a sinalização direcionada a acionistas é implausível, permite inferir que bancos que utilizam mais fundos de investidores sensíveis a informações (institucionais) pagam mais dividendos, controlando por diversas características. Durante a crise financeira, este comportamento foi ainda mais pronunciado. Esta relação reforça o papel dos dividendos como uma forma custosa e crível de comunicar sobre a qualidade dos ativos dos bancos. A hipótese de que os dividendos podem ser utilizados como uma forma de expropriação dos depositantes por parte dos acionistas é refutada, uma vez que, se fosse esse o caso, observar-se-ia esse maiores dividendos em bancos com depositantes menos sensíveis a informação. Além disso, foi verificada uma relação negativa entre o pagamento de dividendos e o custo de captação (juros pagos em certificados de depósito bancário) e uma relação positiva de dividendos com o tamanho e com os lucros passados, e que os bancos de capital fechado pagam mais dividendos do que os de capital aberto, uma descoberta que também se alinha com a ideia de que os depositantes seriam os alvos da sinalização por dividendos. Finalmente, encontrou-se também uma relação negativa entre dividendos e adequação de capital do bancos, o que indica que pressões regulatórias podem induzir os bancos a pagar menos dividendos e que o pagamento de dividendos é negativamente relacionado com o crescimento da carteira de crédito, o que é consistente com a ideia de que os bancos com maiores oportunidades de investimento retêm seus lucros para aumentar seu patrimônio líquido e sua capacidade de conceder crédito.

Signaling in dynamic markets with adverse selection

Nesta dissertação, consideram-se trocas em mercados descentralizados com seleção adversa. Diferentemente da literatura até o momento, supomos que vendedores informados (e não compradores desinformados) fazem ofertas take-it-or-leave-it, de forma que sinalização através de preços é possível. Estabelecemos uma caracterização parcial do conjunto de equilíbrio, encontramos condições necessárias e suficientes para a existência de um equilíbrio e mostramos que todo equilíbrio apresenta sinalização se o problema de seleção adversa for suficientemente severo. Além disso, provamos o resultado surpreendente que o maior bem-estar atingido em equilíbrio é invariante às fricções do mercado. Também apresentamos condições necessárias e suficientes para a existência de equilíbrios separantes, que caracterizamos completamente. Mostramos que o conjunto de payoffs associados a equilíbrios separantes é invariante às fricções. Concluímos com uma caracterização completa do conjunto de equilíbrio com apenas dois tipos, e comparamos nossos resultados com os de Moreno e Wooders (2010), que analisam o caso em que compradores têm todo o poder de mercado. Nossos resultados mostram que sinalização através dos preços tem um impacto não trivial tanto nos resultados do mercado quanto no bem-estar.

Signaling in political budget cycles: How far are you willing to go?

This paper analyzes how heterogeneity in two dimensions, competency and character, a¤ects political budget cycles. Competency is the e¢ciency in running the government. Character is the degree of opportunism. In this expanded space, previous results in the literature on the separating nature of the signaling equilibrium hold if heterogeneity in opportunism is low. With high heterogeneity in opportunism, no separating equilibrium exists. Rather, the equilibrium is partially pooling: only extreme types can be distinguished.

Sonic hedgehog signaling regulates mode of cell division of early cerebral cortex progenitors and increases

The morphogen Sonic Hedgehog (SHH) plays a critical role in the development of different tissues. In the central nervous system, SHH is well known to contribute to the patterning of the spinal cord and separation of the brain hemispheres. In addition, it has recently been shown that SHH signaling also contributes to the patterning of the telencephalon and establishment of adult neurogenic niches. In this work, we investigated whether SHH signaling influences the behavior of neural progenitors isolated from the dorsal telencephalon, which generate excitatory neurons and macroglial cells in vitro. We observed that SHH increases proliferation of cortical progenitors and generation of astrocytes, whereas blocking SHH signaling with cyclopamine has opposite effects. In both cases, generation of neurons did not seem to be affected. However, cell survival was broadly affected by blockade of SHH signaling. SHH effects were related to three different cell phenomena: mode of cell division, cell cycle length and cell growth. Together, our data in vitro demonstrate that SHH signaling controls cell behaviors that are important for proliferation of cerebral cortex progenitors, as well as differentiation and survival of neurons and astroglial cells.

Insulin signaling proteins in pancreatic islets of insulin-resistant rats induced by glucocorticoid

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)