[論文レビュー] Principles in the Evolution of Metabolic Networks

Hiroki R. Ueda, John B. Hogenesch|ArXiv.org|Mar 28, 2005

Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、代謝ネットワークにおける高い結合度を持つ代謝物が、結合度が低いものよりも頻繁に化学的結合を再構成することを示す普遍的な進化的原則「rich-travel-more」を特定した。126種の生物を分析した結果、このメカニズムが「豊かになるほど豊かになる」メカニズムよりも、古細菌、細菌、真核生物の全領域にわたりスケールフリ―で頑健な代謝ネットワークの構造を説明していることが示された。

ABSTRACT

Understanding design principles of complex cellular organization is one of the major challenges in biology. Recent analysis of the large-scale cellular organization has revealed the scale-free nature and robustness of metabolic and protein networks. However, the underlying evolutional process that creates such a cellular organization is not fully elucidated. To approach this problem, we analyzed the metabolic networks of 126 organisms, whose draft or complete genome sequences have been published. This analysis has revealed that the evolutional process of metabolic networks follows the same and surprisingly simple principles in Archaea, Bacteria and Eukaryotes; where highly linked metabolites change their chemical links more dynamically than less linked metabolites. Here we demonstrate that this rich-travel-more mechanism rather than the previously proposed rich-get-richer mechanism can generate the observed scale-free organization of metabolic networks. These findings illustrate universal principles in evolution of metabolic networks and suggest marked flexibility of metabolic network throughout evolution.

研究の動機と目的

• 代謝ネットワークのスケールフリ―で頑健な構造の背後にある進化的メカニズムを解明すること。
• 古細菌、細菌、真核生物の多様な分類群にわたり、代謝ネットワークの進化を支配する同じ原則が存在するかを調査すること。
• 「豊かになるほど豊かになる」優先的接続モデルと、代替メカニズムのどちらがネットワークのトポロジーを説明するかを検証すること。
• 代謝物の結合度と代謝経路における進化的なダイナミックな変化との関係を定量化すること。
• 複雑な細胞内組織の形成に寄与する単純で動的な原則の普遍性を示すこと。

提案手法

• 公開済みの草案または完全なゲノム配列を有する126種の生物の代謝ネットワークの分析。
• 系統をまたいで代謝物の結合度（次数）と進化的な入れ替え（結合変更の回数）を定量化すること。
• 高次数の代謝物がより多くの結合変更を経験する「rich-travel-more」メカニズムと、「豊かになるほど豊かになる」モデルを比較すること。
• ネットワークのトポロジー解析を用いて、代謝システムのスケールフリ―特性と頑健性を評価すること。
• 比較ゲノム学と代謝経路の再構築から進化的なダイナミクスを推論すること。
• 主論文に含まれないが統計的妥当性の検証を支援するための補足データ（サイズの都合で省略）の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 代謝ネットワークに観察されるスケールフリ―なトポロジーを生成する進化的メカニズムは何か？
• RQ2 多様な生物の領域にわたり、結合度の高い代謝物は結合度が低いものよりもより動的であると進化的に示唆されるか？
• RQ3 「豊かになるほど豊かになる」メカニズムが観察されたネットワーク構造を十分に説明できるのか、それとも代替メカニズムが必要か？
• RQ4 代謝結合の動的再構成は、ネットワークの頑健性と進化可能性にどのように寄与するか？
• RQ5 代謝ネットワークの進化的プロセスが古細菌、細菌、真核生物の全領域にわたり普遍的であるとどれほど言えるか？

主な発見

• 「豊かになるほど豊かになる」モデルよりも、「高次元代謝物がより多くリンクを変更する」メカニズム（rich-travel-more）が、代謝ネットワークのスケールフリ―な組織構造をよりよく説明する。
• 結合度の高い代謝物は、全3門の生物にわたり顕著に高いリンク入れ替え率を示しており、これは普遍的な進化的ダイナミクスを示している。
• 古細菌、細菌、真核生物の間で一貫したネットワークトポロジーが観察され、代謝ネットワーク組織の共通した進化的原則を示唆している。
• 代謝ネットワークはランダムな摂動に対して頑健であり、これは結合度の高いノードの動的再構成によって維持されている。
• 代謝ネットワークの進化的プロセスは、単に優先的接続によって駆動されているのではなく、結合度とダイナミクスのバランスによって駆動されている。
• 研究結果は、進化の過程で代謝ネットワークの構造的柔軟性が著しく高く、構造的崩壊を伴わずに適応を可能としていることを示唆している。