Genregulering og genreguleringskredsløb

Genreguleringskredsløb styrer grundlæggende fysiologiske, udviklingsmæssige og adfærdsmæssige processer i organismer på tværs af livstræet (Carroll et al., 2001). Eksempler omfatter kemotaxis i bakterier (Alon et al., 1999), parringsadfærd i gær (Tsong et al., 2006) og udviklingsmønster i frugtfluen (Lawrence, 1992). Sådanne kredsløb består af et sæt gener – der typisk koder for DNA-bindende proteiner kendt som transkriptionsfaktorer – som regulerer ekspressionen af andre gener i kredsløbet. Genotypen af et regulatorisk kredsløb omfatter det DNA, der koder for transkriptionsfaktorgener, samt DNA-bindingssteder for disse faktorer i nærheden af kredsløbsgener. Den koder for to aspekter af kredsløbets adfærd, nemlig interaktionerne mellem generne (dvs. “hvem regulerer hvem”) og den signalintegrationslogik, som hvert enkelt gen anvender til at fortolke de signaler, der leveres af dets regulerende genprodukter. Det førstnævnte aspekt er kodet af tilstedeværelsen eller fraværet af transkriptionsfaktorbindingssteder i nærheden af et gen, mens det sidstnævnte er kodet af antallet, afstanden og bindingsaffiniteten af disse steder (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). Fænotypen af et regulatorisk kredsløb er dets rumtemporale genekspressionsmønster, som angiver, hvornår, hvor og i hvilket omfang hvert enkelt gen i kredsløbet udtrykkes. Et klassisk eksempel på et sådant kredsløb er det, der dannes af gap-generne i Drosophila melanogaster, som fortolker en moderligt deponeret morfogen gradient langs den anterior-posterior akse af det udviklende embryo for at skabe præcise ekspressionsbånd, som er grundlæggende for at definere fluens segmenterede kropsplan og udgør fænotypen af dette genkredsløb (Lawrence, 1992).

Hver kredsløbsgenotype med en given ekspressionsfænotype kan betragtes som et medlem af et genotype-netværk. Vertices i et sådant netværk repræsenterer hele kredsløb, og kanter forbinder vertices, hvis deres tilsvarende kredsløb adskiller sig i en enkelt regulatorisk interaktion eller i et enkelt gens regulatoriske logik. Det meste af det, vi ved om genotypiske netværk af regulatoriske kredsløb, kommer fra beregningsmodeller. For eksempel brugte Ciliberti et al. (2007a,b) en sådan model til at påvise, at for enhver given genekspressionsfænotype danner langt størstedelen af genotyperne et enkelt, forbundet genotype-netværk. Lignende observationer blev gjort ved hjælp af modelreguleringskredsløb inspireret af Drosophila-udviklingen, hvor en morfogen gradient fortolkes langs et rumligt domæne for at danne et enkelt, centraliseret bånd af genekspression (Cotterell og Sharpe, 2010). Også der danner de stribeformende kredsløb genotypiske netværk. I begge modeller har individuelle genotyper typisk mange naboer med den samme fænotype. Sådanne genotyper er således til en vis grad robuste over for mutationer, der forårsager små genetiske ændringer. Desuden strækker sådanne netværk sig langt ud over hele rummet af mulige genotyper. F.eks. kan to kredsløb fra det samme genotypenetværk være lige så forskellige fra hinanden som to tilfældigt udvalgte kredsløb fra genotypeområdet (Ciliberti et al., 2007a). Empiriske beviser for, at kredsløb med meget forskellige genotyper kan have den samme fænotype, findes for kredsløb, der regulerer galaktosemetabolisme, parringstype og ribosomal proteinekspression i svampe (Martchenko et al., 2007; Tanay et al., 2005; Tsong et al., 2006).

Genotype-netværk giver ikke kun mutationsrobusthed til ekspressionsfænotyperne af genregulerende kredsløb, de fremmer også udviklingsmulighederne. Ciliberti et al. (2007a) demonstrerede dette ved at udtage par af kredsløb fra genotype-netværk og bestemme de sæt af nye ekspressionsfænotyper, der kunne realiseres via regulatoriske mutationer til hvert kredsløb i parret. De fandt, at disse sæt blev mere og mere forskellige, efterhånden som forskellen mellem de udtagne kredsløb øges. Med andre ord, fordi genotype netværk strækker sig langt ud i hele genotype rummet af regulatoriske kredsløb, giver de adgang til en stor mangfoldighed af nye genekspressionsfænotyper og letter dermed evolverbarheden.

Mens beregningsanalyser har gjort det muligt at karakterisere hele rum af regulatoriske kredsløb, har eksperimentelle data fra proteinbindende mikroarrays (Berger et al., 2006) gjort det muligt at karakterisere de mindste enheder af kredsløbsorganisation, transkriptionsfaktorbindingssteder, og de rum, de danner. Disse korte DNA-sekvenser definerer de regulatoriske interaktioner i et kredsløb, og mutationer i disse sekvenser kan påvirke et kredsløbs genekspressionsfænotype (Wray, 2007; Prud’homme et al., 2007), enten ved at ændre bindingsaffiniteten eller ved at ophæve bindingen. Forståelse af robustheden af transkriptionsfaktorbindingssteder er derfor vigtig for at forstå robustheden af regulatoriske kredsløb. En nylig undersøgelse ved hjælp af proteinbindende mikroarray-data fra 89 gær- og 104 musetranskriptionsfaktorer analyserede genotype-netværkene for hver af disse faktorers bindingssteder (Payne og Wagner, 2014). For 99% af de 193 faktorer er størstedelen af de sekvenser, der er bundet af faktoren, en del af et enkelt genotype-netværk. Desuden er disse netværk tæt forbundet, hvilket indebærer, at de enkelte bindingssteder til en vis grad er mutationelt robuste. Nogle netværk er større end andre – de omfatter flere bindingssteder – og individuelle bindingssteder i større netværk er mere robuste end bindingssteder i mindre netværk.

For hver af de 193 transkriptionsfaktorer, som Payne og Wagner (2014) undersøgte, udtog de også prøver af par af steder fra det samme genotypiske netværk og bestemte de sæt af transkriptionsfaktorer, der binder steder, der er nabo til dem i parret. Efterhånden som den mutationsmæssige afstand mellem stederne øges, øges også diversiteten af transkriptionsfaktorer, der binder nabosteder. Desuden gælder det, at jo større et genotypenetværk er (og jo mere robuste dets bindingssteder i gennemsnit er), jo større er antallet af unikke transkriptionsfaktorer, der binder steder, der støder op til genotypenetværket. Sammenfattende tyder disse observationer på, at robusthed og evolverbarhed udviser et synergistisk forhold i genregulatoriske kredsløb og deres transkriptionsfaktorbindingssteder, hvilket muliggøres af eksistensen af store genotype-netværk, der spredes i hele genotype-rummet.