Gene Regulation and Gene Regulation Circuits

Gene regulatory circuits guidano fondamentali processi fisiologici, di sviluppo e comportamentali in organismi attraverso l’albero della vita (Carroll et al., 2001). Gli esempi includono la chemiotassi nei batteri (Alon et al., 1999), il comportamento di accoppiamento nel lievito (Tsong et al., 2006), e il patterning di sviluppo nel moscerino della frutta (Lawrence, 1992). Tali circuiti comprendono un insieme di geni – tipicamente codificanti proteine legate al DNA note come fattori di trascrizione – che regolano l’espressione di altri geni nel circuito. Il genotipo di un circuito di regolazione comprende il DNA che codifica i geni dei fattori di trascrizione, così come i siti di legame al DNA per questi fattori vicino ai geni del circuito. Codifica due aspetti del comportamento del circuito, vale a dire le interazioni tra i geni (cioè, ‘chi-regola-chi’) e la logica di integrazione dei segnali usata da ogni gene per interpretare i segnali forniti dai suoi prodotti genici regolatori. Il primo aspetto è codificato dalla presenza o assenza di siti di legame dei fattori di trascrizione vicino a un gene, mentre il secondo è codificato dal numero, dalla spaziatura e dall’affinità di legame di questi siti (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). Il fenotipo di un circuito di regolazione è il suo modello di espressione genica spazio-temporale, che specifica quando, dove e in che misura ogni gene del circuito è espresso. Un esempio classico di tale circuito è quello formato dai geni gap di Drosophila melanogaster, che interpreta un gradiente morfogeno depositato maternamente lungo l’asse anteriore-posteriore dell’embrione in via di sviluppo per creare precise bande di espressione, che sono fondamentali per definire il piano del corpo segmentato della mosca e costituiscono il fenotipo di questo circuito genico (Lawrence, 1992).

Ogni genotipo di circuito con un dato fenotipo di espressione può essere visto come un membro di una rete di genotipi. I vertici di tale rete rappresentano interi circuiti e gli spigoli collegano i vertici se i loro circuiti corrispondenti differiscono in una singola interazione di regolazione, o nella logica di regolazione di un singolo gene. La maggior parte di ciò che sappiamo sulle reti genotipiche dei circuiti di regolazione proviene da modelli computazionali. Per esempio, Ciliberti et al. (2007a,b) hanno usato un modello di questo tipo per dimostrare che per ogni dato fenotipo di espressione genica, la grande maggioranza dei genotipi forma una singola rete di genotipi connessa. Osservazioni analoghe sono state fatte usando modelli di circuiti regolatori ispirati allo sviluppo della Drosophila, in cui un gradiente morfogenico viene interpretato lungo un dominio spaziale per formare una singola banda centralizzata di espressione genica (Cotterell e Sharpe, 2010). Anche lì, i circuiti che formano le strisce formano reti di genotipi. In entrambi i modelli, i genotipi individuali hanno tipicamente molti vicini con lo stesso fenotipo. Tali genotipi sono quindi in qualche misura robusti alle mutazioni che causano piccoli cambiamenti genetici. Inoltre, tali reti si estendono molto nello spazio dei genotipi possibili. Per esempio, due circuiti della stessa rete di genotipi possono essere tanto diversi tra loro quanto lo sono due circuiti scelti a caso nello spazio dei genotipi (Ciliberti et al., 2007a). L’evidenza empirica che circuiti con genotipi molto diversi possono avere lo stesso fenotipo esiste per i circuiti che regolano il metabolismo del galattosio, il tipo di accoppiamento e l’espressione delle proteine ribosomiali nei funghi (Martchenko et al., 2007; Tanay et al., 2005; Tsong et al., 2006).

Le reti di genotipi non solo conferiscono robustezza mutazionale ai fenotipi di espressione dei circuiti di regolazione genica, ma facilitano anche l’evolvibilità. Ciliberti et al. (2007a) lo hanno dimostrato campionando coppie di circuiti da reti di genotipi e determinando gli insiemi di nuovi fenotipi di espressione che potrebbero essere realizzati tramite mutazioni di regolazione per ogni circuito nella coppia. Hanno scoperto che questi insiemi diventano sempre più distinti all’aumentare della differenza tra i circuiti campionati. In altre parole, poiché le reti di genotipi si estendono per tutto lo spazio genotipico dei circuiti di regolazione, permettono l’accesso a una grande diversità di nuovi fenotipi di espressione genica e quindi facilitano l’evolvibilità.

Mentre le analisi computazionali hanno permesso la caratterizzazione di interi spazi di circuiti di regolazione, i dati sperimentali dei microarray di legami proteici (Berger et al., 2006) hanno permesso di caratterizzare le più piccole unità di organizzazione dei circuiti, i siti di legame dei fattori di trascrizione, e gli spazi che formano. Queste brevi sequenze di DNA definiscono le interazioni di regolazione di un circuito, e le mutazioni di queste sequenze possono influenzare il fenotipo di espressione genica di un circuito (Wray, 2007; Prud’homme et al., 2007), sia alterando l’affinità di legame che abolendo il legame. Comprendere la robustezza dei siti di legame dei fattori di trascrizione è quindi importante per capire la robustezza dei circuiti di regolazione. Un recente studio che ha utilizzato dati di microarray di legami proteici di 89 fattori di trascrizione del lievito e 104 del topo ha analizzato le reti di genotipi di ciascuno dei siti di legame di questi fattori (Payne e Wagner, 2014). Per il 99% dei 193 fattori, la maggior parte delle sequenze legate dal fattore fanno parte di una singola rete genotipica. Inoltre, queste reti sono densamente connesse, il che implica che i singoli siti di legame sono in una certa misura resistenti alle mutazioni. Alcune reti sono più grandi di altre – comprendono più siti di legame – e i singoli siti di legame nelle reti più grandi sono più robusti dei siti di legame nelle reti più piccole.

Per ognuno dei 193 fattori di trascrizione che Payne e Wagner (2014) hanno esaminato, hanno anche campionato coppie di siti dalla stessa rete di genotipi e determinato i set di fattori di trascrizione che legano siti vicini a quelli della coppia. All’aumentare della distanza mutazionale tra i siti, aumenta anche la diversità dei fattori di trascrizione che legano i siti vicini. Inoltre, più grande è una rete di genotipi (e più robusti sono in media i suoi siti di legame), maggiore è il numero di fattori di trascrizione unici che legano i siti adiacenti alla rete di genotipi. In sintesi, queste osservazioni suggeriscono che la robustezza e l’evolvibilità presentano una relazione sinergica nei circuiti di regolazione genica e nei loro siti di legame dei fattori di trascrizione, resa possibile dall’esistenza di grandi reti genotipiche che si diffondono in tutto lo spazio genotipico.