[論文レビュー] Genotype networks in metabolic reaction spaces

Areejit Samal, João F. Matias Rodrigues+3 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Jan 1, 2010

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、異なる炭素源を有する最小限の環境下で生存を維持できる代謝反応セットの巨大で連結された集合体、すなわちゲノタイプネットワークを調査する。ゲノムスケール代謝モデルを用いて、これらのネットワークが反応のランダムな喪失に対しても非常に頑健であり、ネットワークサイズにかかわらず、ほぼすべてのゲノタイプ空間をカバーしていることが明らかになった。これは、多様な環境下で代謝フェノタイプが普遍的かつ耐性を持つ組織を持っていることを示している。

ABSTRACT

Background: A metabolic genotype comprises all chemical reactions an organism can catalyze via enzymes encoded in its genome. A genotype is viable in a given environment if it is capable of producing all biomass components the organism needs to survive and reproduce. Previous work has focused on the properties of individual genotypes while little is known about how genome-scale metabolic networks with a given function can vary in their reaction content. Results: We here characterize spaces of such genotypes. Specifically, we study metabolic genotypes whose phenotype is viability in minimal chemical environments that differ in their sole carbon sources. We show that regardless of the number of reactions in a metabolic genotype, the genotypes of a given phenotype typically form vast, connected, and unstructured sets -- genotype networks -- that nearly span the whole of genotype space. The robustness of metabolic phenotypes to random reaction removal in such spaces has a narrow distribution with a high mean. Different carbon sources differ in the number of metabolic genotypes in their genotype network; this number decreases as a genotype is required to be viable on increasing numbers of carbon sources, but much less than if metabolic reactions were used independently across different chemical environments. Conclusions: Our work shows that phenotype-preserving genotype networks have generic organizational properties and that these properties are insensitive to the number of reactions in metabolic genotypes.

研究の動機と目的

• 最小環境下で生存を維持できる代謝ゲノタイプの反応内容の違いを理解すること。
• 異なる炭素源におけるゲノタイプネットワークのトポロジー的構造と接続性を調査すること。
• これらのネットワーク内でのランダムな反応除去に対する代謝フェノタイプの頑健性を評価すること。
• 複数の炭素源で生存が要求される場合に、ゲノタイプネットワークのサイズがどのように変化するかを特定すること。

提案手法

• さまざまな最小環境（それぞれが1つの炭素源で定義される）に対してゲノムスケール代謝モデルが構築された。
• ゲノタイプは、すべての必須バイオマス成分を生成できる代謝反応の集合として定義された。
• 各環境条件下で生存を維持できる反応セットを同定することで、生存可能なゲノタイプのネットワークが生成された。
• 反応のランダムな除去後の生存ゲノタイプの割合を測定することで、頑健性が定量化された。
• グラフ理論的手法を用いて、ゲノタイプネットワークの接続性および構造的特性が分析された。
• 複数の炭素源で生存が要求される影響を評価するため、複数環境間のゲノタイプネットワークの共通部分（インターセクション）が計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる炭素源を有する最小環境下で、生存可能な代謝ゲノタイプは反応空間にどのように分布しているか？
• RQ2 ゲノタイプネットワークのトポロジー的構造は何か—特に、連結しているか、全ゲノタイプ空間に比べてどれくらいのサイズか？
• RQ3 これらのゲノタイプネットワーク内でのランダムな反応喪失に対する代謝フェノタイプの頑健性はどの程度か？
• RQ4 生存が複数の炭素源で要求されるようになるにつれて、ゲノタイプネットワークのサイズはどのように変化するか？
• RQ5 ゲノタイプネットワークの組織的特性は、代謝ネットワーク内の反応数に依存するか？

主な発見

• あるフェノタイプのゲノタイプネットワークは、ネットワーク内の反応数に関係なく、極めて巨大で、非常に高い接続性を持ち、ほぼすべてのゲノタイプ空間をカバーしている。
• 代謝フェノタイプのランダムな反応喪失に対する頑健性は、平均が高く、分布が狭いため、多様なネットワーク全体にわたって一貫した耐性が示されている。
• 生存が複数の炭素源で要求されるようになるにつれてゲノタイプネットワークのサイズは減少するが、反応が各環境で独立に使用される場合に予想されるほどではない。
• 異なる炭素源に対するゲノタイプネットワークは顕著な重複を示しており、環境間で共通の代謝アーキテクチャが存在していることが示唆される。
• ゲノタイプネットワークの組織的特性—例えば接続性や頑健性—は普遍的であり、代謝ネットワークのサイズに敏感でない。
• 本研究は、代謝フェノタイプが、ネットワークサイズや環境の複雑さに制約されない、非常に耐性のある非構造的ネットワークによってコードされていることを示した。