[論文レビュー] Adaptive walks in a gene network model of morphogenesis: insights into the Cambrian explosion

Ricard V. Solé, Pau Fernández+1 more|PubMed|Nov 10, 2003

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 36被引用数 55

ひとこと要約

本稿は、多細胞生物における遺伝子調節ネットワークをモデル化し、寒武紀の大爆発期に急速に形態が多様化したメカニズムが、組み合わせ的遺伝子調節から生じる可能性を検討する。粗い適合度のランドスケープ上での適応的ウォークを用いて、特に母体シグナル2つと調節遺伝子2つの組み合わせが、安定した空間的遺伝子発現パターンの組み合わせ的爆発を引き起こす遺伝的複雑性の閾値を形成することを示し、新たな発生メカニズムを必要とせずに急速な進化的イノベーションが可能になることを示している。

ABSTRACT

The emergence of complex patterns of organization close to the Cambrian boundary is known to have happened over a (geologically) short period of time. It involved the rapid diversification of body plans and stands as one of the major transitions in evolution. How it took place is a controversial issue. Here we explore this problem by considering a simple model of pattern formation in multicellular organisms. By modeling gene network-based morphogenesis and its evolution through adaptive walks, we explore the question of how combinatorial explosions might have been actually involved in the Cambrian event. Here we show that a small amount of genetic complexity including both gene regulation and cell-cell signaling allows one to generate an extraordinary repertoire of stable spatial patterns of gene expression compatible with observed anteroposterior patterns in early development of metazoans. The consequences for the understanding of the tempo and mode of the Cambrian event are outlined.

研究の動機と目的

• 寒ぶき大爆発期における動物の体形多様化が、遺伝的および発生的メカニズムからどのように生じるかを調査すること。
• 遺伝子調節および細胞間シグナル伝達におけるわずかな遺伝的複雑性の増加が、安定した空間的パターンの多様なレパートアを生み出すかどうかを検討すること。
• 遺伝子ネットワークダイナミクスから導かれる適合度ランドスケープ上の適応的ウォークを用いて、進化的イノベーションのテンポとモードをモデル化すること。
• 観察された形態的複雑性の急増が、特に粗いランドスケープ上の適応的ウォークを含む複雑系理論の理論的予測と一致するかどうかを検証すること。

提案手法

• バイナリの遺伝子発現状態と細胞間シグナル伝達を用いたブール型遺伝子ネットワークを用いて、多細胞の形態形成をモデル化する。
• 適合度を空間的パターンの安定性と複雑性の関数として定義し、N個のバイナリ的特性（遺伝子状態）とK個の上位性相互作用を持つ適合度ランドスケープを用いる。
• 単一ビットの変異による適合度の増加を許容することで、適応的ウォークをシミュレートし、遺伝子調節における進化的変化を表す。
• ネットワークの複雑さがパターン多様性に与える影響を調べるために、母体シグナル（H）と調節遺伝子（G）を主要変数として導入する。
• HとGの異なる組み合わせ下での異なる空間的パターンの数（|P|）を測定し、多様性と到達可能性を評価する。
• 時間経過に伴う適合度の上昇速度とパターン発見の速度を分析し、初期に急速な多様化が起こり、その後に減速するかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の遺伝子ネットワークモデルは、初期動物発生における空間的遺伝子発現パターンの多様性を生成できるか？
• RQ2 母体シグナル2つと調節遺伝子2つの存在といった、遺伝的複雑性の閾値が、可能な体形の組み合わせ的爆発を引き起こすか？
• RQ3 モデルは、初期に急速な多様化が起こり、その後に減速するという寒ぶき大爆発のテンポを再現できるか？
• RQ4 粗い適合度ランドスケープ上での適応的ウォークが、複雑な体形の進化的到達可能性をどの程度説明できるか？
• RQ5 ネットワークの複雑さ（HとG）を増加させると、モデル内の安定した空間的パターンの数と多様性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• H = G = 2 の場合、1つの母体シグナルでは |P₁| = 239 個の異なる空間的パターンが生成され、2つの母体シグナルでは |P₂| = 154 個が生成され、顕著な組み合わせ的爆発が確認された。
• H = G = 2 の閾値に達した際に、到達可能な空間的パターンの数が急激に増加しており、形態的複雑性における段階的転移を示唆している。
• 新しい局所的適合度ピークの発見速度は対数的に増加しており、初期に急速な多様化が起こり、その後に減速するという、寒ぶきパターンと整合する。
• モデルはギャップ様、ストライプ様、ハイブリッドパターンを生成し、ドーパラフィラや他のメタゾアの実際の胚発生における遺伝子発現パターンと類似している。
• 細胞タイプの多様性は空間的パターンの多様性と正の相関を示しており、細胞の複雑性が柔軟な調節ネットワークから生じることを支持する。
• 離散的（ブール型）および連続的モデルの両方のバージョンで結果が安定しており、簡略化の影響ではないという核心的メカニズム—複雑性の閾値における組み合わせ的爆発—が有効であることが示された。