[論文レビュー] Positional information, in bits

Julien Dubuis, Gašper Tkačik+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2011

Developmental Biology and Gene Regulation参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、情報理論を用いて発生生物学における位置情報の定量化フレームワークを提案し、ドーパラフィラのギャップ遺伝子に適用している。個々のギャップ遺伝子はほぼ2ビットの位置情報を持ち、4つの遺伝子が collectively して約1%の誤差で細胞の位置を特定するのに十分な情報を提供しており、生物学的情報伝送の理論的限界に近い。

ABSTRACT

Cells in a developing embryo have no direct way of "measuring" their physical position. Through a variety of processes, however, the expression levels of multiple genes come to be correlated with position, and these expression levels thus form a code for "positional information." We show how to measure this information, in bits, using the gap genes in the Drosophila embryo as an example. Individual genes carry nearly two bits of information, twice as much as expected if the expression patterns consisted only of on/off domains separated by sharp boundaries. Taken together, four gap genes carry enough information to define a cell's location with an error bar of ~1% along the anterior-posterior axis of the embryo. This precision is nearly enough for each cell to have a unique identity, which is the maximum information the system can use, and is nearly constant along the length of the embryo. We argue that this constancy is a signature of optimality in the transmission of information from primary morphogen inputs to the output of the gap gene network.

研究の動機と目的

• 発生における胚発生の位置情報の定量化手法を情報理論を用いて開発すること。
• ドーパラフィラ胚の前後軸に沿ったギャップ遺伝子の発現パターンにエンコードされた情報量を特定すること。
• ギャップ遺伝子発現の情報含量が、高い精度で細胞の個体識別を一意に特定するのに十分かどうかを評価すること。
• 観察された情報伝送が、分子的ノイズと転写因子の有限濃度によって制約される物理的限界に近いかどうかを調査すること。

提案手法

• シャノン情報理論を用いて、胚内の空間的位置（x）と遺伝子発現レベル（g）の間の相互情報量を定量化する。
• 観察された遺伝子発現が与えられたもとでの位置の不確実性をモデル化するための条件付き確率分布 P(x|g) を用い、事前分布 P(x)（一様分布）と比較する。
• 実験的発現プロファイルを複数の胚にわたって用い、適応的ビニングと外挿技術を用いて相互情報量を推定する。
• P(g|x) のガウス近似を用いて情報含量を推定し、直接ヒストグラムベースの手法との整合性を検証する。
• マルチバリアンス相互情報量をモンテカルロ統合を用いて推定するため、複数遺伝子の共同発現レベルをモデル化する。
• 観測信号の線形変換に対して情報推定値が不変であることに基づき、測定のクロストークへのロバストネスを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーパラフィラ胚における個々のギャップ遺伝子が、何ビットの位置情報（ビット）をエンコードしているか。
• RQ2 前後軸に沿って複数のギャップ遺伝子が共同して持ちうる総位置情報量はどの程度か。
• RQ3 ギャップ遺伝子発現の情報含量が、高い精度で細胞の個体識別を一意に特定するのに十分か。
• RQ4 観察された情報伝送が、分子的ノイズと転写因子の有限濃度によって定められる物理的限界に近いかどうか。
• RQ5 位置情報の精度が胚の軸に沿ってほぼ一定であるか。これはレギュラトリーネットワークの最適性に何を示唆するか。

主な発見

• 個々のギャップ遺伝子はほぼ2ビットの位置情報を持ち、鋭い境界を持つ単純なオン／オフドメインから予想される1ビットよりも顕著に多い。
• 4つのギャップ遺伝子の共同発現は約8ビットの位置情報を持ち、前後軸に沿って約1%の誤差で細胞位置を特定可能である。
• この精度は、各細胞が一意の個体識別を持つのにほぼ十分であり、システムが利用できる最大の情報量に相当する。
• 情報含量は胚の全長にわたりほぼ一定であり、ギャップ遺伝子ネットワークが情報伝送に最適化されていることを示唆する。
• 観察された情報レベルは、分子的ノイズと転写因子の有限濃度によって定められる理論的上限に近く、システムがほぼ最適に近いことを示している。
• 測定のクロストークや座標変換に対して結果がロバストであるため、情報理論的フレームワークの信頼性が確認された。