[論文レビュー] A Developmental Network Theory of Gynandromorphs, Sexual Dimorphism and Species Formation

Eric Werner|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2012

Morphological variations and asymmetry参考文献 109被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、細胞の運命と左右対称性を支配する両親由来の発生制御ネットワーク（CENEs）の協調的かつ対立的な相互作用を通じて、ギナンドロモーフ形成を説明する発達的ネットワーク理論を提唱する。本研究は、ギナンドロモーフが染色体異常だけでなく、エピジェネティックな細胞極性とネットワークレベルの相互作用から生じることを示し、メタネットワークダイナミクスを通じて性二形性および種分化を理解するための新しい枠組みを提供する。

ABSTRACT

Gynandromorphs are creatures where at least two different body sections are a different sex. Bilateral gynandromorphs are half male and half female. Here we develop a theory of gynandromorph ontogeny based on developmental control networks. The theory explains the embryogenesis of all known variations of gynandromorphs found in multicellular organisms. The theory also predicts a large variety of more subtle gynandromorphic morphologies yet to be discovered. The network theory of gynandromorph development has direct relevance to understanding sexual dimorphism (differences in morphology between male and female organisms of the same species) and medical pathologies such as hemihyperplasia (asymmetric development of normally symmetric body parts in a unisexual individual). The network theory of gynandromorphs brings up fundamental open questions about developmental control in ontogeny. This in turn suggests a new theory of the origin and evolution of species that is based on cooperative interactions and conflicts between developmental control networks in the haploid genomes and epigenomes of potential sexual partners for reproduction. This network-based theory of the origin of species is a paradigmatic shift in our understanding of evolutionary processes that goes beyond gene-centered theories.

研究の動機と目的

• ギナンドロモーフの発生を長年にわたり説明できなかった不一致、特に染色体分配と発生ネットワークダイナミクスの役割の解消を目的とする。
• 遺伝的に正常な細胞を有してもギナンドロモーフが形成可能であることを確立し、性発生の遺伝子中心的視点に挑戦することを目的とする。
• 両親由来のCENE間の不適合なメタネットワーク相互作用を根拠に、種形成を再定義することで進化理論にパラダイムシフトをもたらすこと。
• 多様な形態にわたるギナンドロモーフ発生のモデリングとシミュレーションを可能にする計算フレームワークの提供を目的とする。
• 本理論が、ヘミハイパープラスィアや進化的逆転（アタビズム）といった単性病変を理解する上での意味を検討すること。

提案手法

• 1つの受精細胞から4次元時空における多細胞発生をシミュレートするため、Cellnomicaのソフトウェアスイートを用いた計算モデルの開発。
• ゲノム、エピゲノム、細胞の方向性を統合する階層的システムとしての発生制御ネットワーク（CENEs）のモデリングにより、細胞の分化と形態形成を制御。
• ゲノム情報の細胞極性に基づく解釈と、遺伝子調節ネットワーク（GRNs）を介した発生プログラムの実行を可能にする解釈実行システム（IES）の実装。
• 決定論的および確率的ネットワークダイナミクスのシミュレーションにより、左右対称的および非左右対称的形態を含むギナンドロモーフ表現型の変異を捉える。
• 両親由来CENE間のゲノム間相互作用をモデル化するためのメタネットワークシグネチャ変換の使用により、ハイブリッドの生存可能性および種分化の結果を予測可能に。
• ネットワークコンビナトリクスを用いて、可能なギナンドロモーフ的形態をマップし、ネットワークの適合性およびエピジェネティックな継承に基づく制約を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 染色体補完が正常な状態でもギナンドロモーフがどのように発生できるのか。これは染色体分配仮説に挑戦する。
• RQ2 エピジェネティックな細胞極性および「手のひらの向き」が、ギナンドロモーフにおける左右対称性の確立と形態的乖離に果たす役割は何か。
• RQ3 両親由来の発生制御ネットワーク（CENEs）の相互作用が、健全な胚発生を決定し、生殖的隔離にどのように寄与するのか。
• RQ4 種形成は、遺伝的差異に加えて、両親由来CENE間のメタネットワークリンクの変化によって説明可能か。
• RQ5 現在のCENEシグネチャから、祖先の発生プログラムを再構築するために、ギナンドロモーフ様の形態をどれほど逆方向に設計できるか。

主な発見

• ギナンドロモーフは染色体異常がなくても発生可能であり、エピジェネティックな細胞極性とネットワークの自律性が、性二形性を引き起こすのに十分であることを示した。
• 細胞の「手のひらの向き」と方向性は、エピジェネティックに継承され、ネットワーク自律的である。これは、ギナンドロモーフの左右半分が別個のCENEプログラムに従って発生可能であることを意味する。
• 性別半身間の形態的差異は、ホルモンではなく、発生制御ネットワーク（CENEs）によって決定される。
• 不均等な染色体分配は、両親由来CENE間のメタネットワークリンクの変化が生じる場合にのみギナンドロモーフを引き起こし、直接的な遺伝的影響によるものではない。
• 種形成は、遺伝的差異そのものではなく、両親由来CENE間のメタネットワークプロトコルの不適合性に起因する。これは、ネットワークベースの種形成メカニズムを示唆する。
• 本理論により、非左右対称形態を含む多様なギナンドロモーフ的形態の計算シミュレーションが可能となり、以前に未知であった微細な形態の予測も可能になった。