[논문 리뷰] Is prokaryotic complexity limited by accelerated growth in regulatory overhead?

Larry Croft, Martin J. Lercher외 2명|ArXiv.org|2003. 11. 15.

Gene Regulatory Network Analysis참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 조혈세포의 복잡성이 전사 조절 유전자 수가 총 유전자 수에 대해 제곱법적으로 증가하는 조절 오버헤드의 가속화로 인해 진화적으로 제한된다고 제안한다. 89개의 조혈세포 게놈 분석 결과 이 모델과 강한 일치를 보이며, 약 20,000개 유전자를 초과하면 매개별 기능 유전자 추가 시 하나 이상의 추가 조절자가 필요하다고 예측한다—이는 실제로 관찰된 생물학적 한계에 가까운 것이다.

ABSTRACT

Increased biological complexity is generally associated with the addition of new genetic information, which must be integrated into the existing regulatory network that operates within the cell. General arguments on network control, as well as several recent genomic observations, indicate that regulatory gene number grows disproportionally fast with increasing genome size. We present two models for the growth of regulatory networks. Both predict that the number of transcriptional regulators will scale quadratically with total gene number. This appears to be in good quantitative agreement with genomic data from 89 fully sequenced prokaryotes. Moreover, the empirical curve predicts that any new non-regulatory gene will be accompanied by more than one additional regulator beyond a genome size of about 20,000 genes, within a factor of two of the observed ceiling. Our analysis places transcriptional regulatory networks in the class of accelerating networks. We suggest that prokaryotic complexity may have been limited throughout evolution by regulatory overhead, and conversely that complex eukaryotes must have bypassed this constraint by novel strategies.

연구 동기 및 목표

• 조절 네트워크의 성장이 조혈세포 게놈 복잡성에 기초적인 제한을 미치는지 조사하기.
• 유전자가 증가함에 따라 전사 조절자 수가 비례하지 않게 증가하는지 테스트하여 조절 오버헤드 제약을 확인하기.
• 네트워크 제어 이론을 사용하여 조혈세포에서 총 유전자 수와 조절자 수 사이의 스케일링 관계를 모델링하기.
• 모델 예측을 89개의 완전히 시퀀싱된 조혈세포의 실측 데이터와 비교하기.
• 진화적으로 더 큰, 더 복잡한 조혈세포 게놈의 발전을 억제하는 원인인 조절 오버헤드 제약을 어떻게 회피했는지 탐구하기.

제안 방법

• 네트워크 제어 및 연결성 원리를 바탕으로 한 조절 네트워크 성장에 대한 이론적 모델 두 개를 개발하였다.
• 조절자 수가 총 유전자 수의 제곱에 비례함을 예측하는 제곱법적 스케일링 법칙을 유도하였다.
• 실측 데이터를 활용하여 이 모델이 89개의 완전히 시퀀싱된 조혈세포에 적용되었으며, 정량적 일치 여부를 검증하였다.
• 다양한 조혈세포 계통에서 예측된 조절자 수와 관측된 데이터를 비교하기 위해 회귀 분석을 사용하였다.
• 새로운 비조절 유전자 추가 시 추가 조절자가 하나 이상 초과하기 시작하는 지점을 평가하여, 기능적 한계를 확인하였다.
• 조절 네트워크 성장의 가속화가 게놈 확장에 대한 생물학적 제약을 만들어낸다고 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조혈세포에서 유전자가 증가함에 따라 전사 조절자의 수는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 조절 네트워크 복잡성이 더 큰, 더 복잡한 조혈세포 게놈의 진화를 어느 정도 제한하는가?
• RQ3 유전자가 어느 크기 이상이 되면 추가 조절자의 필요성이 추가 기능 유전자 수를 초과하기 시작하는가?
• RQ4 왜 진화적으로 조절 오버헤드 제약이 관찰되는 조혈세포와는 달리, 진핵세포는 이러한 제약을 피할 수 있었는가?
• RQ5 유전자 수 증가와 함께 조절자가 스케일링되는 현상은 복잡계의 네트워크 제어 원리로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 조혈세포에서 전사 조절자의 수는 총 유전자 수에 대해 제곱법적으로 증가하며, 이는 네트워크 제어 이론적 모델과 일치한다.
• 89개의 조혈세포 게놈에서의 실측 데이터는 예측된 제곱법적 스케일링 관계와 강한 정량적 일치를 보였다.
• 모델은 약 20,000개 유전자를 초과하는 게놈에서는 매개별 기능 유전자 추가 시 하나 이상의 추가 조절자가 수반된다고 예측한다.
• 이 예측은 실제로 관찰된 조혈세포 게놈 크기의 상한선과 매우 밀접하게 일치하며, 조절 한계를 시사한다.
• 조절 오버헤드의 가속화는 조혈세포 복잡성에 대한 핵심 진화적 제약로 확인되었다.
• 이러한 발견은 진핵세포가 이러한 제약을 극복하기 위해 새로운 조절 메커니즘을 진화시켰을 가능성을 암시한다.