Geenisäätely ja geenisäätelypiirit

Geenisäätelypiirit ohjaavat perustavanlaatuisia fysiologisia, kehitykseen liittyviä ja käyttäytymiseen liittyviä prosesseja eliöissä kautta koko elämänpuun (Carroll et al., 2001). Esimerkkeinä voidaan mainita kemotaksis bakteereissa (Alon ym., 1999), parittelukäyttäytyminen hiivassa (Tsong ym., 2006) ja kehityskuviointi hedelmäkärpäsessä (Lawrence, 1992). Tällaiset piirit koostuvat joukosta geenejä – jotka tyypillisesti koodaavat DNA:ta sitovia proteiineja, niin sanottuja transkriptiotekijöitä – jotka säätelevät piirin muiden geenien ilmentymistä. Säätelypiirin genotyyppi käsittää transkriptiotekijägeenejä koodaavan DNA:n sekä näiden tekijöiden DNA-sitoutumiskohdat piirin geenien lähellä. Se koodaa kaksi piirin käyttäytymisen näkökohtaa, nimittäin geenien väliset vuorovaikutukset (eli ”kuka säätelee ketä”) ja signaalien integrointilogiikan, jota kukin geeni käyttää tulkitessaan säätelygeeniensä tuotteiden antamia signaaleja. Edellistä näkökohtaa koodataan transkriptiotekijöiden sitoutumiskohtien läsnäololla tai puuttumisella geenin läheisyydessä, kun taas jälkimmäistä koodataan näiden kohtien lukumäärällä, etäisyydellä toisistaan ja sitoutumisaffiniteetilla (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). Säätelypiirin fenotyyppi on sen spatiotemporaalinen geeniekspressiomalli, joka määrittää, milloin, missä ja missä määrin kukin piirin geeni ilmentyy. Klassinen esimerkki tällaisesta piiristä on Drosophila melanogasterin gap-geenien muodostama piiri, joka tulkitsee maternaalisesti talletettua morfogeenigradienttia kehittyvän alkion anterior-posterior-akselia pitkin luodakseen täsmällisiä ekspressiokaistoja, jotka ovat perustavanlaatuisia kärpäsen segmentoituneen ruumiinrakenteen määrittelemisessä ja muodostavat tämän geenipiirin fenotyypin (Lawrence, 1992).

Kunkin piirin genotyyppi, jolla on tietty ekspressiofenotyyppi, voidaan nähdä genotyyppiverkoston jäsenenä. Tällaisen verkon verteksit edustavat kokonaisia piirejä, ja särmät yhdistävät verteksejä, jos niiden vastaavat piirit eroavat toisistaan yksittäisessä säätelyvuorovaikutuksessa tai yksittäisen geenin säätelylogiikassa. Suurin osa siitä, mitä tiedämme säätelypiirien genotyyppiverkostoista, on peräisin laskennallisista malleista. Esimerkiksi Ciliberti ym. (2007a,b) käyttivät tällaista mallia osoittaakseen, että minkä tahansa tietyn geeniekspressioilmiön fenotyypin osalta valtaosa genotyypeistä muodostaa yhden ainoan, toisiinsa kytkeytyneen genotyyppiverkoston. Samanlaisia havaintoja tehtiin Drosophilan kehityksestä inspiroituneilla säätelypiirien malleilla, joissa morfogeenigradientti tulkitaan spatiaalista aluetta pitkin siten, että se muodostaa yhden, keskitetyn geeniekspressiokaistan (Cotterell ja Sharpe, 2010). Sielläkin raitoja muodostavat piirit muodostavat genotyyppiverkostoja. Molemmissa malleissa yksittäisillä genotyypeillä on tyypillisesti monia naapureita, joilla on sama fenotyyppi. Tällaiset genotyypit ovat siten jossain määrin kestäviä mutaatioille, jotka aiheuttavat pieniä geneettisiä muutoksia. Lisäksi tällaiset verkostot ulottuvat pitkälle mahdollisten genotyyppien avaruuteen. Esimerkiksi kaksi piiriä samasta genotyyppiverkostosta voi olla keskenään yhtä erilaisia kuin kaksi genotyyppi-avaruudesta satunnaisesti valittua piiriä (Ciliberti ym., 2007a). Empiiristä näyttöä siitä, että hyvin erilaisilla genotyypeillä varustetuilla piireillä voi olla sama fenotyyppi, on olemassa piireistä, jotka säätelevät galaktoosiaineenvaihduntaa, pariutumistyyppiä ja ribosomaalisten proteiinien ilmentymistä sienissä (Martchenko ym., 2007; Tanay ym., 2005; Tsong ym., 2006).

Genotyyppiverkostot eivät ainoastaan anna mutaatioiden aiheuttamaa kestävyyttä geenien säätelijäpiirien ilmentymisfenotyypeille, vaan ne myös helpottavat kehittyvyyttä. Ciliberti ym. (2007a) osoittivat tämän ottamalla genotyyppiverkostoista piiripareja ja määrittelemällä sellaisten uusien ilmentymisfenotyyppien joukot, jotka voitaisiin toteuttaa säätelymutaatioiden avulla parin kuhunkin piiriin. He havaitsivat, että nämä joukot erottuivat toisistaan yhä selvemmin, kun näytteeksi otettujen piirien välinen ero kasvoi. Toisin sanoen, koska genotyyppiverkostot ulottuvat pitkälle säätelypiirien genotyyppi-avaruuteen, ne mahdollistavat pääsyn uudenlaisten geeniekspressioilmiöfenotyyppien suureen monimuotoisuuteen ja helpottavat siten evolvoituvuutta.

Vaikka laskennalliset analyysit ovat mahdollistaneet säätelypiirien kokonaisten avaruuksien karakterisoinnin, proteiineja sitovista mikrosiruista saadut kokeelliset tiedot (Berger ym., 2006) ovat mahdollistaneet piirien organisoitumisen pienimpien yksikköjen, transkriptiotekijöiden sitoutumispaikkojen ja niiden muodostamien tilojen karakterisoinnin. Nämä lyhyet DNA-sekvenssit määrittelevät piirin säätelyvuorovaikutukset, ja näihin sekvensseihin kohdistuvat mutaatiot voivat vaikuttaa piirin geeniekspression fenotyyppiin (Wray, 2007; Prud’homme ym., 2007) joko muuttamalla sitoutumisaffiniteettia tai poistamalla sitoutumisen. Transkriptiotekijöiden sitoutumiskohtien kestävyyden ymmärtäminen on siksi tärkeää säätelypiirien kestävyyden ymmärtämiseksi. Tuoreessa tutkimuksessa, jossa käytettiin 89 hiivan ja 104 hiiren transkriptiotekijän proteiineja sitovia mikrosirutietoja, analysoitiin kunkin näiden tekijöiden sitoutumiskohtien genotyyppiverkostoja (Payne ja Wagner, 2014). 193 faktorista 99 prosentilla suurin osa faktorin sitomista sekvensseistä on osa yhtä genotyyppiverkostoa. Lisäksi nämä verkostot ovat tiheästi yhteydessä toisiinsa, mikä viittaa siihen, että yksittäiset sitoutumiskohdat ovat jossain määrin mutaatiokestäviä. Jotkin verkostot ovat suurempia kuin toiset – ne sisältävät enemmän sitoutumiskohtia – ja yksittäiset sitoutumiskohdat suuremmissa verkostoissa ovat robustimpia kuin sitoutumiskohdat pienemmissä verkostoissa.

Jokaisen Paynen ja Wagnerin (2014) tarkasteleman 193 transkriptiotekijän osalta he myös poimivat samasta genotyyppiverkostosta kohdepareja ja määrittivät niiden transkriptiotekijöiden joukot, jotka sitovat paikkojen naapureina olevia kohtia parin sisällä. Sivustojen välisen mutaatioetäisyyden kasvaessa kasvaa myös naapurisivustoja sitovien transkriptiotekijöiden monimuotoisuus. Lisäksi mitä laajempi genotyyppiverkosto on (ja mitä vankempia sen sitovat paikat keskimäärin ovat), sitä suurempi on niiden ainutlaatuisten transkriptiotekijöiden määrä, jotka sitovat genotyyppiverkoston viereisiä paikkoja. Yhteenvetona nämä havainnot viittaavat siihen, että robustisuudella ja evolvoituvuudella on synergistinen suhde geenien säätelypiireissä ja niiden transkriptiotekijöiden sitoutumispaikoissa, minkä tekee mahdolliseksi laajojen genotyyppiverkostojen olemassaolo, jotka levittäytyvät koko genotyyppiavaruuteen.