Extracellular microRNAs (miRNAs) carried by exosomes can play a key role in cell-to-cell communication. Deregulation of miRNA expression and exosome secretion have been related to pathological conditions such as cancer. While it is known that circulating miRNAs can alter gene expression in recipient cells, it remains unclear how significant the dynamical impact of these extracellular miRNAs is. To shed light on this issue, we propose a model for the spatio-temporal evolution of the protein expression in a cell tissue altered by abnormal miRNA expression in a donor cell. This results in a nonhomogeneous cellular response in the tissue, which we quantify by studying the range of action of the donor cell on the surrounding cells. Key model parameters that control the range of action are identified. Based on a model for a heterogeneous cell population, we show that the dynamics of gene expression in the tissue is robust to random changes of the parameter values. Furthermore, we study the propagation of gene expression oscillations in a tissue induced by extracellular miRNAs. In the donor cell, the miRNA inhibits its own transcription which can give rise to local oscillations in gene expression. The resulting oscillations of the concentration of extracellular miRNA induce oscillations of the protein concentration in recipient cells. We analyse the nonmonotonic spatial evolution of the oscillation amplitude of the protein concentration in the tissue which may have implications for the propagation of oscillations in biological rhythms such as the circadian clock.

中文翻译：

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模拟由细胞外microRNA转运介导的基因表达中动态签名的传播

外来体携带的细胞外微小RNA（miRNA）在细胞间通讯中起关键作用。miRNA表达的失调和外泌体的分泌与诸如癌症等病理状况有关。虽然已知循环中的miRNA可以改变受体细胞中的基因表达，但仍不清楚这些细胞外miRNA的动态影响有多重要。为了阐明这一问题，我们提出了一个模型，该模型用于在供体细胞中异常的miRNA表达改变的细胞组织中蛋白质表达的时空演变。这导致组织中的细胞反应不均一，我们通过研究供体细胞对周围细胞的作用范围进行量化。确定控制动作范围的关键模型参数。基于异质性细胞群体的模型，我们表明，在组织中基因表达的动力学对于参数值的随机变化具有鲁棒性。此外，我们研究了细胞外miRNA诱导的组织中基因表达振荡的传播。在供体细胞中，miRNA抑制其自身的转录，这会引起基因表达的局部振荡。产生的细胞外miRNA浓度的振荡引起受体细胞中蛋白质浓度的振荡。我们分析了组织中蛋白质浓度的振荡幅度的非单调空间演变，这可能对生物节律（如生物钟）中的振荡传播产生影响。我们研究了细胞外miRNA诱导的组织中基因表达振荡的传播。在供体细胞中，miRNA抑制其自身的转录，这会引起基因表达的局部振荡。产生的细胞外miRNA浓度的振荡引起受体细胞中蛋白质浓度的振荡。我们分析了组织中蛋白质浓度的振荡幅度的非单调空间演变，这可能对生物节律（如生物钟）中的振荡传播产生影响。我们研究了细胞外miRNA诱导的组织中基因表达振荡的传播。在供体细胞中，miRNA抑制其自身的转录，这会引起基因表达的局部振荡。产生的细胞外miRNA浓度的振荡引起受体细胞中蛋白质浓度的振荡。我们分析了组织中蛋白质浓度的振荡幅度的非单调空间演变，这可能对生物节律（如生物钟）中的振荡传播产生影响。产生的细胞外miRNA浓度的振荡引起受体细胞中蛋白质浓度的振荡。我们分析了组织中蛋白质浓度的振荡幅度的非单调空间演变，这可能对生物节律（如生物钟）中的振荡传播产生影响。产生的细胞外miRNA浓度的振荡引起受体细胞中蛋白质浓度的振荡。我们分析了组织中蛋白质浓度的振荡幅度的非单调空间演变，这可能对生物节律（如生物钟）中的振荡传播产生影响。