Beyond Steady-State: First-Passage Times in microRNA-mediated gene regulation

All'interno di un organismo, ogni cellula è chiamata a eseguire una moltitudine di compiti vitali. Sebbene tali processi fondamentali siano guidati da reazioni biochimiche intrinsecamente stocastiche, è imperativo che raggiungano i loro esiti in modo affidabile. Per garantire ciò, la cellula deve preservare un rigoroso ordinamento temporale degli eventi, utilizzando diversi meccanismi di regolazione che agiscono sull'espressione genica. Una delle forme di controllo utilizzata all'interno delle cellule sfrutta piccole molecole di RNA non codificante, chiamate microRNA o miRNA. Queste permettono di regolare il numero di mRNA nel citoplasma, di fatto bloccando la traduzione di questi ultimi in proteine. In questa tesi, è stato studiato in dettaglio un particolare circuito genetico mediato da miRNA per analizzare l'impatto di questa specifica forma di regolazione sulla tempistica del processo. In questo studio si adotta un approccio basato sul Tempo di Primo Passaggio (First Passage Time, FPT), definito come il tempo necessario affinché il numero di molecole di mRNA raggiunga una soglia critica, innescando un evento. L'obiettivo è caratterizzare la distribuzione di questi tempi (la FPT distribution) per capire quando un processo si attiva e con quanta variabilità. Dunque, questo studio si concentra sulle dinamiche transienti del sistema, superando le tradizionali analisi focalizzate esclusivamente sullo stato stazionario (steady-state). Per analizzare la distribuzione FPT di questo circuito, sono stati impiegati approcci sia numerici che analitici. L'approccio numerico si è basato sull'algoritmo di Gillespie, un metodo di simulazione stocastica esatta che ha permesso di costruire la distribuzione FPT da un ampio insieme di traiettorie. Parallelamente, l'approccio analitico è stato sviluppato sfruttando l'Espansione di Van Kampen (Linear Noise Approximation), che ha consentito di derivare un'espressione approssimata per la distribuzione FPT e di comprenderne le dipendenze dai parametri del sistema. L'analisi FPT è un potente strumento per decifrare come i miRNA avviino i processi intracellulari. Valutando il modo in cui essi modificano la distribuzione FPT, la tesi offre una visione quantitativa di come le cellule attenuino le fluttuazioni per orchestrare processi biologici affidabili.