Genreglering och genregleringskretsar

Genregleringskretsar styr grundläggande fysiologiska, utvecklings- och beteendeprocesser i organismer över hela livets träd (Carroll et al., 2001). Exempel är kemotaxis i bakterier (Alon et al., 1999), parningsbeteende i jäst (Tsong et al., 2006) och utvecklingsmönster hos fruktflugan (Lawrence, 1992). Sådana kretsar består av en uppsättning gener – som vanligtvis kodar för DNA-bindande proteiner som kallas transkriptionsfaktorer – som reglerar uttrycket av andra gener i kretsen. Genotypen för en reglerande krets omfattar det DNA som kodar för transkriptionsfaktorgener samt DNA-bindningsställen för dessa faktorer i närheten av kretsens gener. Den kodar för två aspekter av kretsens beteende, nämligen interaktionerna mellan generna (dvs. ”vem reglerar vem”) och den signalintegreringslogik som används av varje gen för att tolka de signaler som tillhandahålls av dess reglerande genprodukter. Den förstnämnda aspekten kodas av närvaron eller frånvaron av bindningsställen för transkriptionsfaktorer i närheten av en gen, medan den sistnämnda aspekten kodas av antalet, avståndet och bindningsaffiniteten hos dessa ställen (Sharon et al., 2012; Smith et al., 2013). Fenotypen för en regleringskrets är dess spatiotemporala genuttrycksmönster, som specificerar när, var och i vilken utsträckning varje gen i kretsen uttrycks. Ett klassiskt exempel på en sådan krets är den som bildas av gap-generna i Drosophila melanogaster, som tolkar en morfogen gradient som deponeras från moderlivet längs den främre-posteriora axeln hos det utvecklande embryot för att skapa exakta uttrycksband, som är grundläggande för att definiera flugans segmenterade kroppsplan och som utgör fenotypen för denna genkrets (Lawrence, 1992).

Varje genotyp i kretsen med en given uttrycksfenotyp kan ses som en medlem av ett genotypnätverk. Vertikaler i ett sådant nätverk representerar hela kretsar och kanter förbinder vertikaler om deras motsvarande kretsar skiljer sig åt i en enda reglerande interaktion eller i den reglerande logiken för en enda gen. Det mesta vi vet om genotypnätverk av regleringskretsar kommer från beräkningsmodeller. Till exempel använde Ciliberti et al. (2007a,b) en sådan modell för att visa att för varje given genuttrycksfenotyp bildar den stora majoriteten av genotyperna ett enda sammanhängande genotypnätverk. Liknande observationer gjordes med hjälp av modellregleringskretsar inspirerade av Drosophilas utveckling, där en morfogen gradient tolkas längs en rumslig domän för att bilda ett enda, centraliserat band av genuttryck (Cotterell och Sharpe, 2010). Även där bildar de streckbildande kretsarna genotypnätverk. I båda modellerna har enskilda genotyper vanligtvis många grannar med samma fenotyp. Sådana genotyper är därför i viss mån robusta mot mutationer som orsakar små genetiska förändringar. Dessutom sträcker sig sådana nätverk långt över hela utrymmet av möjliga genotyper. Till exempel kan två kretsar från samma genotypnätverk vara lika olika varandra som två kretsar som väljs slumpmässigt från genotyputrymmet (Ciliberti et al., 2007a). Empiriska bevis för att kretsar med mycket olika genotyper kan ha samma fenotyp finns för kretsar som reglerar galaktosmetabolism, parningstyp och uttryck av ribosomala proteiner hos svampar (Martchenko et al., 2007; Tanay et al., 2005; Tsong et al., 2006).

Genotypenätverk ger inte bara mutationsrobusthet åt uttrycksfenotyperna hos genreglerande kretsar, utan underlättar också utvecklingsförmågan. Ciliberti et al. (2007a) visade detta genom att ta prov på par av kretsar från genotypnätverk och bestämma de uppsättningar av nya uttrycksfenotyper som skulle kunna förverkligas via reglerande mutationer för varje krets i paret. De fann att dessa uppsättningar blev allt tydligare när skillnaden mellan de provtagna kretsarna ökar. Med andra ord, eftersom genotypnätverken sträcker sig långt genom genotyputrymmet för regulatoriska kretsar, ger de tillgång till en stor mångfald av nya genuttrycksfenotyper och underlättar på så sätt evolverbarheten.

Men medan beräkningsanalyser har gjort det möjligt att karakterisera hela utrymmen av regulatoriska kretsar, har experimentella data från proteinbindande mikroarrayer (Berger et al., 2006) gjort det möjligt att karaktärisera de minsta enheterna i kretsorganisationen, transkriptionsfaktorernas bindningsställen och de utrymmen som de bildar. Dessa korta DNA-sekvenser definierar de regulatoriska interaktionerna i en krets, och mutationer i dessa sekvenser kan påverka kretsens genuttrycksfenotyp (Wray, 2007; Prud’homme et al., 2007), antingen genom att ändra bindningsaffiniteten eller genom att upphäva bindningen. Att förstå robustheten hos bindningsställen för transkriptionsfaktorer är därför viktigt för att förstå robustheten hos regleringskretsar. I en nyligen genomförd studie med hjälp av proteinbindande mikroarray-data från 89 transkriptionsfaktorer från jäst och 104 transkriptionsfaktorer från mus har man analyserat genotypnätverken för var och en av dessa faktorers bindningsställen (Payne och Wagner, 2014). För 99 % av de 193 faktorerna ingår majoriteten av de sekvenser som binds av faktorn i ett enda genotypnätverk. Dessutom är dessa nätverk tätt sammankopplade, vilket innebär att enskilda bindningsställen i viss mån är mutationellt robusta. Vissa nätverk är större än andra – de omfattar fler bindningsställen – och enskilda bindningsställen i större nätverk är mer robusta än bindningsställen i mindre nätverk.

För var och en av de 193 transkriptionsfaktorer som Payne och Wagner (2014) undersökte, tog de också prov på par av ställen från samma genotypnätverk och fastställde uppsättningarna av transkriptionsfaktorer som binder ställen som är grannar till dem i paret. När mutationsavståndet mellan platserna ökar, ökar också mångfalden av transkriptionsfaktorer som binder angränsande platser. Ju större ett genotypnätverk är (och ju mer robusta dess bindningsställen i genomsnitt är), desto större är dessutom antalet unika transkriptionsfaktorer som binder ställen som gränsar till genotypnätverket. Sammanfattningsvis tyder dessa observationer på att robusthet och utvecklingsbarhet uppvisar ett synergistiskt förhållande i genreglerande kretsar och deras bindningsställen för transkriptionsfaktorer, vilket möjliggörs av förekomsten av stora genotypnätverk som sprider sig över hela genotyputrymmet.