Regulacja genu i obwody regulacji genu
Obwody regulacji genu napędzają podstawowe procesy fizjologiczne, rozwojowe i behawioralne w organizmach na całym drzewie życia (Carroll et al., 2001). Przykłady obejmują chemotaksję u bakterii (Alon et al., 1999), zachowania godowe u drożdży (Tsong et al., 2006) i kształtowanie rozwoju u muszki owocowej (Lawrence, 1992). Obwody takie obejmują zestaw genów – zazwyczaj kodujących białka wiążące DNA, znane jako czynniki transkrypcyjne – które regulują ekspresję innych genów w obwodzie. Genotyp obwodu regulacyjnego obejmuje DNA koduj±cy geny czynników transkrypcyjnych, jak również miejsca wi±ż±ce DNA dla tych czynników w pobliżu genów obwodu. Koduje on dwa aspekty zachowania obwodu, a mianowicie interakcje pomiędzy genami (tj. „kto reguluje kogo”) oraz logikę integracji sygnałów używaną przez każdy gen do interpretacji sygnałów dostarczanych przez produkty genów regulujących. Pierwszy aspekt kodowany jest przez obecność lub brak miejsc wiążących czynniki transkrypcyjne w pobliżu genu, podczas gdy drugi kodowany jest przez liczbę, rozstawienie i powinowactwo wiązania tych miejsc (Sharon i in., 2012; Smith i in., 2013). Fenotypem obwodu regulacyjnego jest jego przestrzenno-czasowy wzorzec ekspresji genów, który określa, kiedy, gdzie i w jakim stopniu każdy gen w obwodzie ulega ekspresji. Klasycznym przykładem takiego obwodu jest obwód utworzony przez geny szczelinowe Drosophila melanogaster, które interpretują matczyny gradient morfogenów wzdłuż osi przednio-tylnej rozwijającego się zarodka w celu utworzenia precyzyjnych pasm ekspresji, które są fundamentalne dla zdefiniowania segmentowanego planu ciała muchy i stanowią fenotyp tego obwodu genowego (Lawrence, 1992).
Każdy genotyp obwodu z danym fenotypem ekspresji może być postrzegany jako członek sieci genotypowej. Wierzchołki w takiej sieci reprezentują całe obwody, a krawędzie łączą wierzchołki, jeśli odpowiadające im obwody różnią się w pojedynczej interakcji regulacyjnej lub w logice regulacyjnej pojedynczego genu. Większość tego, co wiemy o genotypowych sieciach obwodów regulacyjnych pochodzi z modeli obliczeniowych. Na przykład, Ciliberti i in. (2007a,b) wykorzystali taki model do wykazania, że dla dowolnego fenotypu ekspresji genu, zdecydowana większość genotypów tworzy pojedynczą, połączoną sieć genotypową. Podobne obserwacje poczyniono przy użyciu modelowych obwodów regulacyjnych inspirowanych rozwojem Drosophila, w których gradient morfogenów jest interpretowany wzdłuż domeny przestrzennej, tworząc pojedyncze, scentralizowane pasmo ekspresji genów (Cotterell i Sharpe, 2010). Tam również obwody formujące prążki tworzą sieci genotypowe. W obu modelach poszczególne genotypy mają zazwyczaj wielu sąsiadów o tym samym fenotypie. Takie genotypy są więc do pewnego stopnia odporne na mutacje, które powodują niewielkie zmiany genetyczne. Co więcej, takie sieci rozciągają się daleko w przestrzeni możliwych genotypów. Na przykład, dwa obwody z tej samej sieci genotypowej mogą być tak różne od siebie, jak dwa obwody wybrane losowo z przestrzeni genotypów (Ciliberti i in., 2007a). Empiryczne dowody na to, że obwody o bardzo różnych genotypach mogą mieć ten sam fenotyp istnieją dla obwodów regulujących metabolizm galaktozy, typ kojarzenia i ekspresję białek rybosomalnych u grzybów (Martchenko i in., 2007; Tanay i in., 2005; Tsong i in., 2006).
Sieci genotypowe nie tylko nadają mutacyjną odporność fenotypom ekspresji obwodów regulacji genów, ale także ułatwiają ewolucyjność. Ciliberti et al. (2007a) zademonstrowali to poprzez pobieranie próbek par obwodów z sieci genotypowych i określanie zestawów nowych fenotypów ekspresji, które mogłyby być realizowane poprzez mutacje regulacyjne do każdego obwodu w parze. Stwierdzili oni, że zestawy te stają się coraz bardziej odrębne wraz ze wzrostem różnicy pomiędzy próbkowanymi obwodami. Innymi słowy, ponieważ sieci genotypowe rozciągają się daleko w przestrzeni genotypowej obwodów regulacyjnych, pozwalają one na dostęp do dużej różnorodności nowych fenotypów ekspresji genów i w ten sposób ułatwiają ewolucyjność.
Podczas gdy analizy obliczeniowe pozwoliły na scharakteryzowanie całych przestrzeni obwodów regulacyjnych, dane eksperymentalne z mikromacierzy wiążących białka (Berger i in., 2006) pozwoliły na scharakteryzowanie najmniejszych jednostek organizacji obwodów, miejsc wiążących czynniki transkrypcyjne i przestrzeni, które one tworzą. Te krótkie sekwencje DNA definiują interakcje regulacyjne obwodu, a mutacje tych sekwencji mogą wpływać na fenotyp ekspresji genów w obwodzie (Wray, 2007; Prud’homme i in., 2007), albo poprzez zmianę powinowactwa wiązania, albo poprzez jego zniesienie. Zrozumienie odporności miejsc wiążących czynniki transkrypcyjne jest zatem ważne dla zrozumienia odporności obwodów regulacyjnych. W niedawnym badaniu wykorzystującym dane mikromacierzy wiązania białek z 89 drożdżowych i 104 mysich czynników transkrypcyjnych przeanalizowano sieci genotypowe miejsc wiązania każdego z tych czynników (Payne i Wagner, 2014). Dla 99% ze 193 czynników, większość sekwencji wiązanych przez dany czynnik jest częścią pojedynczej sieci genotypowej. Co więcej, sieci te są gęsto połączone, co sugeruje, że poszczególne miejsca wiążące są do pewnego stopnia odporne na mutacje. Niektóre sieci są większe od innych – obejmują więcej miejsc wiążących – a poszczególne miejsca wiążące w większych sieciach są bardziej odporne niż miejsca wiążące w mniejszych sieciach.
Dla każdego ze 193 czynników transkrypcyjnych, które Payne i Wagner (2014) zbadali, pobrali również próbki par miejsc z tej samej sieci genotypowej i określili zestawy czynników transkrypcyjnych, które wiążą miejsca sąsiadujące z tymi w parze. Wraz ze wzrostem odległości mutacyjnej między miejscami rośnie różnorodność czynników transkrypcyjnych, które wiążą sąsiednie miejsca. Co więcej, im większa jest sieć genotypowa (i im bardziej odporne są średnio jej miejsca wiążące), tym większa jest liczba unikalnych czynników transkrypcyjnych wiążących miejsca sąsiadujące z siecią genotypową. Podsumowując, obserwacje te sugerują, że solidność i ewolucyjność wykazują synergiczną relację w obwodach regulacyjnych genów i ich miejscach wiązania czynników transkrypcyjnych, co jest możliwe dzięki istnieniu dużych sieci genotypowych, które rozprzestrzeniają się w całej przestrzeni genotypowej.