Génszabályozás és génszabályozási áramkörök
Génszabályozási áramkörök irányítják az alapvető élettani, fejlődési és viselkedési folyamatokat az életfa szervezeteiben (Carroll et al., 2001). Ilyen például a kemotaxis baktériumokban (Alon et al., 1999), a párzási viselkedés élesztőben (Tsong et al., 2006) és a fejlődési mintázódás a gyümölcslégyben (Lawrence, 1992). Az ilyen áramkörök olyan – általában DNS-kötő fehérjéket, úgynevezett transzkripciós faktorokat kódoló – génekből állnak, amelyek szabályozzák az áramkörben lévő más gének kifejeződését. A szabályozó áramkör genotípusa a transzkripciós faktor géneket kódoló DNS-t, valamint e faktorok DNS-kötőhelyeit tartalmazza az áramkör génjei közelében. Az áramkör viselkedésének két aspektusát kódolja, nevezetesen a gének közötti kölcsönhatásokat (azaz azt, hogy “ki szabályozza kit”) és a jelintegrációs logikát, amelyet az egyes gének használnak a szabályozó géntermékek által adott jelek értelmezésére. Az előbbi szempontot a transzkripciós faktorok kötőhelyeinek jelenléte vagy hiánya kódolja egy gén közelében, míg az utóbbit e helyek száma, távolsága és kötési affinitása kódolja (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). Egy szabályozási kör fenotípusa a spatiotemporális génexpressziós mintázat, amely meghatározza, hogy mikor, hol és milyen mértékben fejeződnek ki az egyes gének az áramkörben. Egy ilyen áramkör klasszikus példája a Drosophila melanogaster gap génjei által alkotott áramkör, amely a fejlődő embrió elülső-hátsó tengelye mentén anyai úton lerakódott morfogén gradienst értelmezve pontos expressziós sávokat hoz létre, amelyek alapvető fontosságúak a légy szegmentált testfelépítésének meghatározásában, és e génáramkör fenotípusát alkotják (Lawrence, 1992).
Minden adott expressziós fenotípussal rendelkező áramkör genotípusa egy genotípus hálózat tagjának tekinthető. Egy ilyen hálózat csúcsai teljes áramköröket képviselnek, és élek kötik össze a csúcsokat, ha a megfelelő áramkörök egyetlen szabályozó kölcsönhatásban vagy egyetlen gén szabályozási logikájában különböznek. A szabályozási áramkörök genotípus-hálózataira vonatkozó ismereteink nagy része számítógépes modellekből származik. Ciliberti és munkatársai (2007a,b) például egy ilyen modell segítségével kimutatták, hogy bármely adott génexpressziós fenotípus esetében a genotípusok túlnyomó többsége egyetlen, összefüggő genotípushálózatot alkot. Hasonló megfigyeléseket tettek a Drosophila fejlődés által inspirált modell szabályozási áramkörökkel, amelyekben egy morfogén gradiens egy térbeli tartomány mentén úgy értelmeződik, hogy egyetlen, központosított génexpressziós sávot alkot (Cotterell és Sharpe, 2010). Ott is a csíkképző áramkörök genotípus-hálózatokat alkotnak. Mindkét modellben az egyes genotípusoknak jellemzően sok azonos fenotípusú szomszédjuk van. Az ilyen genotípusok így bizonyos mértékig robusztusak a kis genetikai változásokat okozó mutációkkal szemben. Ráadásul az ilyen hálózatok messzire kiterjednek a lehetséges genotípusok terében. Például két áramkör ugyanabból a genotípus-hálózatból éppúgy különbözhet egymástól, mint két, a genotípus-térből véletlenszerűen kiválasztott áramkör (Ciliberti és mtsai., 2007a). Empirikus bizonyíték van arra, hogy nagyon különböző genotípusú áramköröknek ugyanaz a fenotípusa lehet a galaktóz-anyagcserét, a párosodási típust és a riboszómális fehérjék expresszióját gombákban szabályozó áramkörök esetében (Martchenko et al., 2007; Tanay et al., 2005; Tsong et al., 2006).
A genotípus-hálózatok nemcsak mutációs robusztusságot kölcsönöznek a génszabályozó áramkörök expressziós fenotípusainak, hanem megkönnyítik az evolválhatóságot is. Ciliberti és munkatársai (2007a) ezt úgy mutatták be, hogy a genotípus-hálózatokból áramköri párokat vettek ki, és meghatározták az új expressziós fenotípusok azon készleteit, amelyek a pár egyes áramköreinek szabályozó mutációival megvalósíthatók. Azt találták, hogy ezek a halmazok egyre jobban elkülönülnek a mintavételezett áramkörök közötti különbség növekedésével. Más szóval, mivel a genotípus-hálózatok messzire kiterjednek a szabályozó áramkörök genotípus-térében, lehetővé teszik az új génexpressziós fenotípusok nagy változatosságához való hozzáférést, és így elősegítik az evolválhatóságot.
Míg a számítógépes elemzések lehetővé tették a szabályozó áramkörök teljes terének jellemzését, a fehérje-kötő mikrocsíkokból származó kísérleti adatok (Berger et al., 2006) lehetővé tették az áramkörök szerveződésének legkisebb egységeinek, a transzkripciós faktorok kötőhelyeinek és az általuk alkotott tereknek a jellemzését. Ezek a rövid DNS-szekvenciák határozzák meg egy áramkör szabályozó kölcsönhatásait, és e szekvenciák mutációi befolyásolhatják az áramkör génexpressziós fenotípusát (Wray, 2007; Prud’homme és mtsai., 2007), akár a kötési affinitás megváltoztatásával, akár a kötés megszüntetésével. A transzkripciós faktorok kötőhelyeinek robusztusságának megértése ezért fontos a szabályozó áramkörök robusztusságának megértéséhez. Egy nemrégiben végzett tanulmány 89 élesztő és 104 egér transzkripciós faktor fehérje-kötő mikroarray adatait felhasználva elemezte az egyes faktorok kötőhelyeinek genotípus-hálózatát (Payne és Wagner, 2014). A 193 faktor 99%-a esetében a faktor által kötött szekvenciák többsége egyetlen genotípus-hálózat része. Ráadásul ezek a hálózatok sűrűn kapcsolódnak, ami azt jelenti, hogy az egyes kötőhelyek bizonyos mértékig mutációsan robusztusak. Egyes hálózatok nagyobbak, mint mások – több kötőhelyet tartalmaznak -, és a nagyobb hálózatokban lévő egyes kötőhelyek robusztusabbak, mint a kisebb hálózatokban lévő kötőhelyek.
A Payne és Wagner (2014) által vizsgált 193 transzkripciós faktor mindegyikére vonatkozóan mintát vettek ugyanabból a genotípus-hálózatból származó helyek párjaiból is, és meghatározták azon transzkripciós faktorok halmazát, amelyek a párban lévő helyekkel szomszédos helyeket kötnek. Ahogy a helyek közötti mutációs távolság nő, úgy nő a szomszédos helyekhez kötődő transzkripciós faktorok diverzitása is. Sőt, minél nagyobb egy genotípus-hálózat (és minél robusztusabbak a kötőhelyek átlagosan), annál nagyobb a genotípus-hálózattal szomszédos helyekhez kötődő egyedi transzkripciós faktorok száma. Összességében ezek a megfigyelések arra utalnak, hogy a robusztusság és az evolválhatóság szinergikus kapcsolatot mutat a génszabályozó áramkörökben és azok transzkripciós faktorok kötőhelyein, amit a genotípus-térben elterülő nagy genotípus-hálózatok léte tesz lehetővé.