[論文レビュー] Robustness and modular design of the Drosophila segment polarity network

Wenzhe Ma, Luhua Lai+2 more|ArXiv.org|Oct 17, 2006

Neurobiology and Insect Physiology Research参考文献 31被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ドーパイラの節間形成ネットワークの位相的ロバストネスを計算的に分析し、パターン形成機能を信頼性高く果たすネットワーク構造はごく少数に限られることを明らかにした。野生型の位相構造は最もロバストな部類に属し、すべてのロバストな設計はモジュラー構造であり、3つの異なる機能モジュールから構成されており、生物学的制約下でも安定性と進化可能性を両立させている。

ABSTRACT

Biomolecular networks have to perform their functions robustly. A robust function may have preferences in the topological structures of the underlying network. We carried out an exhaustive computational analysis on network topologies in relation to a patterning function in Drosophila embryogenesis. We found that while the vast majority of topologies can either not perform the required function or only do so very fragilely, a small fraction of topologies emerges as particularly robust for the function. The topology adopted by Drosophila, that of the segment polarity network, is a top ranking one among all topologies with no direct autoregulation. Furthermore, we found that all robust topologies are modular--each being a combination of three kinds of modules. These modules can be traced back to three sub-functions of the patterning function and their combinations provide a combinatorial variability for the robust topologies. Our results suggest that the requirement of functional robustness drastically reduces the choices of viable topology to a limited set of modular combinations among which nature optimizes its choice under evolutionary and other biological constraints.

研究の動機と目的

• biomolecular ネットワークの可能な位相構造が、機能的ロバストネスによってどのように制限されるかを理解すること。
• 自然に存在する節間形成ネットワークの位相構造がなぜ進化的に好まれるのかを調査すること。
• 特にモジュラリティを含む、ロバストなネットワーク機能の背後にある構造的・組織的原則を同定すること。
• 機能的ロバストネスが、ネットワーク構造の可能な組み合わせの空間を限定されたモジュラー組み合わせにまで縮小するかどうかを特定すること。
• ロバストネスが発生パターン形成ネットワークの進化に与える影響を検討すること。

提案手法

• 節間形成パターン形成機能を果たすすべての可能なネットワーク位相構造を網羅的に計算スクリーニングした。
• パrameterの変動に対しても安定した空間的パターンを維持できるか、各位相構造のロバストネスを評価した。
• Boolean モデルと微分方程式モデルを用いてネットワークダイナミクスをシミュレートし、機能的パフォーマンスを評価した。
• ロバストネスに寄与する繰り返し現れるサブネットワークモチーフ（モジュール）を同定・分類した。
• 野生型ドーパイラ節間形成ネットワークを、他のすべての位相構造と比較してロバストネスおよびモジュラリティの観点から評価した。
• 各モジュールの機能的起源を、全体のパターン形成メカニズム内での特定の副機能にさかのぼった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのネットワーク位相構造がドーパイラ胚発生における節間形成パターン形成機能をロバストに果たせるか？
• RQ2 実際のドーパイラ節間形成ネットワークの位相構造は、他の可能な位相構造と比べてロバストネスにおいてどのように異なるか？
• RQ3 特にモジュラリティを含む、最もロバストなネットワーク構造の特徴は何か？
• RQ4 ネットワークの機能的ロバストネスは、特定の副機能とそのモジュラー統合にさかのぼることができるか？
• RQ5 機能的ロバストネスの要請が、ネットワーク位相構造の進化的な探査をどの程度制限するか？

主な発見

• すべての可能なネットワーク位相構造のうち、節間形成パターン形成機能を信頼性高く果たせるのは極めて少数に限られる。
• 直接自己調節を含まない位相構造を除いた場合、野生型ドーパイラ節間形成ネットワークは最もロバストな位相構造の上位に位置する。
• すべてのロバストなネットワーク位相構造はモジュラー構造であり、パターン形成プロセス内の異なる副機能に対応する3種類の機能的モジュールから構成されている。
• これらの3つのモジュールは、細胞運命の決定のためのフィードバック機構、シグナルリレー、境界安定化に対応している。
• モジュラー構造は、ロバストなネットワーク設計における組み合わせ的多様性を可能にし、制限されたが柔軟な進化的な土壌を示唆している。
• 機能的ロバストネスは、可能な位相構造空間を限定されたモジュラー組み合わせにまで劇的に縮小し、生物学的制約下で自然が最適化する可能性がある。