Genová regulace a genové regulační obvody

Genové regulační obvody řídí základní fyziologické, vývojové a behaviorální procesy u organismů napříč stromem života (Carroll et al., 2001). Příkladem může být chemotaxe u bakterií (Alon et al., 1999), párovací chování u kvasinek (Tsong et al., 2006) a vývojové vzorování u ovocné mušky (Lawrence, 1992). Tyto obvody se skládají ze souboru genů – obvykle kódujících proteiny vážící se na DNA, známé jako transkripční faktory – které regulují expresi dalších genů v obvodu. Genotyp regulačního obvodu zahrnuje DNA kódující geny transkripčních faktorů a také vazebná místa DNA pro tyto faktory v blízkosti genů obvodu. Kóduje dva aspekty chování obvodu, a to interakce mezi geny (tj. „kdo-koho-reguluje“) a logiku integrace signálů, kterou každý gen používá k interpretaci signálů poskytovaných produkty jeho regulačních genů. První aspekt je kódován přítomností či nepřítomností vazebných míst pro transkripční faktory v blízkosti genu, zatímco druhý aspekt je kódován počtem, rozestupem a vazebnou afinitou těchto míst (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). Fenotypem regulačního obvodu je jeho časoprostorový vzorec genové exprese, který určuje, kdy, kde a v jakém rozsahu je každý gen v obvodu exprimován. Klasickým příkladem takového obvodu je obvod tvořený gapovými geny Drosophila melanogaster, který interpretuje mateřsky uložený morfogenní gradient podél anteriorně-posteriorní osy vyvíjejícího se embrya a vytváří přesné expresní pásy, které jsou zásadní pro definování segmentovaného plánu těla mouchy a tvoří fenotyp tohoto genového obvodu (Lawrence, 1992).

Každý genotyp obvodu s daným expresním fenotypem lze považovat za člena genotypové sítě. Vrcholy v takové síti představují celé okruhy a hrany spojují vrcholy, pokud se jejich odpovídající okruhy liší v jedné regulační interakci nebo v regulační logice jednoho genu. Většina toho, co víme o genotypových sítích regulačních obvodů, pochází z počítačových modelů. Například Ciliberti et al. (2007a,b) pomocí takového modelu prokázali, že pro jakýkoli daný fenotyp genové exprese tvoří naprostá většina genotypů jedinou propojenou genotypovou síť. Podobná pozorování byla provedena pomocí modelových regulačních obvodů inspirovaných vývojem drozofil, v nichž je morfogenní gradient interpretován podél prostorové domény tak, že tvoří jediný centralizovaný pás genové exprese (Cotterell a Sharpe, 2010). I tam pruhovité obvody tvoří genotypové sítě. V obou modelech mají jednotlivé genotypy obvykle mnoho sousedů se stejným fenotypem. Takové genotypy jsou tedy do jisté míry odolné vůči mutacím, které způsobují malé genetické změny. Takové sítě navíc sahají daleko do prostoru možných genotypů. Například dva okruhy ze stejné sítě genotypů se mohou od sebe lišit stejně jako dva náhodně vybrané okruhy z prostoru genotypů (Ciliberti et al., 2007a). Empirické důkazy o tom, že obvody s velmi odlišnými genotypy mohou mít stejný fenotyp, existují pro obvody, které regulují metabolismus galaktózy, typ páření a expresi ribozomálních proteinů u hub (Martchenko et al., 2007; Tanay et al., 2005; Tsong et al., 2006).

Genotypové sítě nejenže propůjčují expresním fenotypům genových regulačních obvodů mutační robustnost, ale také usnadňují evoluci. Ciliberti et al. (2007a) to prokázali výběrem párů obvodů z genotypových sítí a určením sad nových expresních fenotypů, které lze realizovat prostřednictvím regulačních mutací každého obvodu v páru. Zjistili, že tyto množiny se stále více odlišují s tím, jak se zvětšuje rozdíl mezi vzorkovanými okruhy. Jinými slovy, protože genotypové sítě sahají daleko do celého genotypového prostoru regulačních obvodů, umožňují přístup k velké rozmanitosti nových fenotypů genové exprese, a tím usnadňují evoluci.

Zatímco výpočetní analýzy umožnily charakterizovat celé prostory regulačních obvodů, experimentální data z mikročipů vázajících proteiny (Berger et al., 2006) umožnila charakterizovat nejmenší jednotky organizace obvodů, vazebná místa transkripčních faktorů a prostory, které tvoří. Tyto krátké sekvence DNA definují regulační interakce obvodu a mutace těchto sekvencí mohou ovlivnit fenotyp genové exprese obvodu (Wray, 2007; Prud’homme et al., 2007), a to buď změnou vazebné afinity, nebo zrušením vazby. Pochopení robustnosti vazebných míst transkripčních faktorů je proto důležité pro pochopení robustnosti regulačních obvodů. Nedávná studie využívající data z proteinových vazebných mikročipů 89 kvasinkových a 104 myších transkripčních faktorů analyzovala genotypové sítě vazebných míst každého z těchto faktorů (Payne a Wagner, 2014). U 99 % ze 193 faktorů je většina sekvencí vázaných daným faktorem součástí jediné genotypové sítě. Tyto sítě jsou navíc hustě propojené, což znamená, že jednotlivá vazebná místa jsou do jisté míry mutačně odolná. Některé sítě jsou větší než jiné – zahrnují více vazebných míst – a jednotlivá vazebná místa ve větších sítích jsou robustnější než vazebná místa v menších sítích.

Pro každý ze 193 transkripčních faktorů, které Payne a Wagner (2014) zkoumali, také vybrali dvojice míst ze stejné genotypové sítě a určili množiny transkripčních faktorů, které vážou místa sousedící s těmi v dané dvojici. S rostoucí mutační vzdáleností mezi místy roste i rozmanitost transkripčních faktorů, které se vážou na sousední místa. Navíc čím větší je genotypová síť (a čím robustnější jsou v průměru její vazebná místa), tím větší je počet jedinečných transkripčních faktorů, které vážou místa sousedící s genotypovou sítí. Souhrnně tato pozorování naznačují, že robustnost a evoluční schopnost vykazují synergický vztah v genových regulačních okruzích a jejich vazebných místech pro transkripční faktory, což je umožněno existencí velkých genotypových sítí, které se rozprostírají v celém genotypovém prostoru.