Gene Regulation and Gene Regulation Circuits

Gene regulatory circuits drive fundamental physiological, developmental, and behaviouroral processes in organisms across the tree of life (Carroll et al., 2001). Exemplos incluem quimiotaxia em bactérias (Alon et al., 1999), comportamento de acasalamento em leveduras (Tsong et al., 2006), e padrões de desenvolvimento na mosca da fruta (Lawrence, 1992). Tais circuitos compreendem um conjunto de genes – tipicamente codificando proteínas de ligação ao DNA conhecidas como fatores de transcrição – que regulam a expressão de outros genes no circuito. O genótipo de um circuito regulador compreende os genes de factores de transcrição codificadores de ADN, assim como os locais de ligação de ADN para estes factores perto dos genes de circuito. Ele codifica dois aspectos do comportamento do circuito, nomeadamente as interacções entre genes (ou seja, “quem-regula – a mulher”) e a lógica de integração do sinal utilizada por cada gene para interpretar os sinais fornecidos pelos seus produtos genéticos reguladores. O primeiro aspecto é codificado pela presença ou ausência de locais de ligação do fator de transcrição perto de um gene, enquanto o segundo é codificado pelo número, espaçamento e afinidade de ligação desses locais (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). O fenótipo de um circuito regulador é o seu padrão de expressão do gene espaço-temporal, que especifica quando, onde e em que medida cada gene do circuito é expresso. Um exemplo clássico de tal circuito é aquele formado pelos genes gap da Drosophila melanogaster, que interpreta um gradiente morfogênico depositado maternalmente ao longo do eixo anterior-posterior do embrião em desenvolvimento para criar bandas de expressão precisas, que são fundamentais para definir o plano segmentado do corpo da mosca e constituem o fenótipo deste circuito gênico (Lawrence, 1992).

Cada genótipo de circuito com um determinado fenótipo de expressão pode ser visto como um membro de uma rede de genótipos. Vértices em tal rede representam circuitos inteiros e bordas conectam vértices se seus circuitos correspondentes diferem em uma única interação regulatória, ou na lógica regulatória de um único gene. A maior parte do que sabemos sobre as redes de genótipos de circuitos reguladores vem de modelos computacionais. Por exemplo, Ciliberti et al. (2007a,b) utilizaram tal modelo para demonstrar que para qualquer fenótipo de expressão gênica, a grande maioria dos genótipos formam uma única rede genotípica conectada. Observações semelhantes foram feitas utilizando circuitos regulatórios do modelo inspirados no desenvolvimento de Drosophila, no qual um gradiente de morfogênese é interpretado ao longo de um domínio espacial para formar uma banda única e centralizada de expressão gênica (Cotterell e Sharpe, 2010). Aí também, circuitos de formação de listras formam redes de genótipos. Em ambos os modelos, genótipos individuais tipicamente têm muitos vizinhos com o mesmo fenótipo. Tais genótipos são, portanto, até certo ponto robustos a mutações que causam pequenas mudanças genéticas. Além disso, tais redes estendem-se por todo o espaço de possíveis genótipos. Por exemplo, dois circuitos da mesma rede genotípica podem ser tão diferentes um do outro quanto dois circuitos escolhidos aleatoriamente do espaço genotípico (Ciliberti et al., 2007a). Evidência empírica de que circuitos com genótipos muito diferentes podem ter o mesmo fenótipo existe para circuitos que regulam o metabolismo da galactose, tipo de acasalamento e expressão da proteína ribossômica em fungos (Martchenko et al., 2007; Tanay et al., 2005; Tsong et al., 2006).

Redes de genótipos não só conferem robustez mutacional aos fenótipos de expressão dos circuitos reguladores gênicos, como também facilitam a evolutividade. Ciliberti et al. (2007a) demonstraram isso através da amostragem de pares de circuitos de redes de genótipos e determinando os conjuntos de novos fenótipos de expressão que poderiam ser realizados através de mutações regulatórias para cada circuito do par. Eles descobriram que estes conjuntos se tornaram cada vez mais distintos à medida que a diferença entre os circuitos amostrados aumenta. Em outras palavras, como as redes genotípicas se estendem por todo o espaço genotípico dos circuitos reguladores, elas permitem o acesso a uma grande diversidade de novos fenótipos de expressão gênica e assim facilitam a evolução.

Embora as análises computacionais tenham permitido a caracterização de espaços inteiros de circuitos reguladores, os dados experimentais de microarrays de ligação de proteínas (Berger et al., 2006) permitiram caracterizar as menores unidades de organização de circuitos, locais de ligação do fator de transcrição e os espaços que elas formam. Essas curtas sequências de DNA definem as interações regulatórias de um circuito, e mutações a essas sequências podem afetar o fenótipo de expressão gênica de um circuito (Wray, 2007; Prud’homme et al., 2007), seja alterando a afinidade de ligação ou abolindo a ligação. A compreensão da robustez dos locais de ligação do fator de transcrição é, portanto, importante para a compreensão da robustez dos circuitos reguladores. Um estudo recente utilizando dados de microarranjos de ligação de proteínas de 89 leveduras e 104 fatores de transcrição de mouse analisou as redes genotípicas dos sítios de ligação de cada um desses fatores (Payne e Wagner, 2014). Para 99% dos 193 fatores, a maioria das seqüências vinculadas pelo fator fazem parte de uma única rede genotípica. Além disso, estas redes estão densamente conectadas, o que implica que os locais de ligação individuais são, até certo ponto, mutationally robustos. Algumas redes são maiores que outras – compreendem mais sites vinculados – e sites vinculados individuais em redes maiores são mais robustos que sites vinculados em redes menores.

Para cada um dos 193 fatores de transcrição que Payne e Wagner (2014) examinaram, eles também amostraram pares de sites da mesma rede genotípica e determinaram os conjuntos de fatores de transcrição que ligam os sites vizinhos aos do par. Conforme aumenta a distância mutacional entre locais, aumenta também a diversidade dos fatores de transcrição que ligam locais vizinhos. Além disso, quanto maior for uma rede genotípica (e quanto mais robustos forem, em média, os seus sítios de ligação), maior será o número de factores de transcrição únicos que ligam sítios adjacentes à rede genotípica. Em suma, estas observações sugerem que a robustez e a capacidade de evolução apresentam uma relação sinérgica nos circuitos reguladores genéticos e seus locais de ligação dos fatores de transcrição, possibilitada pela existência de grandes redes genotípicas que se espalham pelo espaço genotípico.