[논문 리뷰] Robustness and modular design of the Drosophila segment polarity network

Wenzhe Ma, Luhua Lai외 2명|ArXiv.org|2006. 10. 17.

Neurobiology and Insect Physiology Research참고 문헌 31인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 드로소필라의 분절 성격 네트워크의 위상적 내성에 대해 계산적으로 분석하여, 패atters 형성 기능을 신뢰성 있게 수행할 수 있는 네트워크 아키텍처의 작은 부분집합만 존재한다는 것을 밝혀냈다. 원시형 위상은 가장 내성적인 편에 속하며, 모든 내성적인 설계는 모듈형이며, 세 가지 서로 다른 功能 모듈로 구성되어 있어 생물학적 제약 조건 하에서도 안정성과 진화 가능성(유연성)을 동시에 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물분자 네트워크의 타당한 위상이 기능적 내성에 의해 어떻게 제약을 받는지 이해하기 위해
• 실제로 존재하는 분절 성격 네트워크 위상이 진화적으로 유리한 이유를 조사하기 위해
• 특히 모듈성과 같은 구조적 및 조직적 원칙이 내성적인 네트워크 기능을 뒷받침하는 방식을 규명하기 위해
• 기능적 내성이 네트워크 아키텍처의 타당한 조합 공간을 제한적으로 줄여내는지 확인하기 위해
• 발생 패턴 형성 네트워크에서 내성성의 진화적 함의를 탐색하기 위해

제안 방법

• 분절 성격 패턴 형성 기능을 위한 모든 가능한 네트워크 위상에 대한 체계적 계산적 스크리닝을 수행하였다.
• 모든 위상이 매개변수 변화에 대비해 안정적인 공간 패턴을 지속적으로 유지할 수 있는지 평가하였다.
• 부울 및 미분방정식 모델을 사용하여 네트워크 동역학을 시뮬레이션하고 기능 성능을 평가하였다.
• 내성성에 기여하는 반복적인 부분망 구조(모듈)를 식별하고 분류하였다.
• 모든 다른 위상과 비교하여 원시형 드로소필라 분절 성격 네트워크의 내성성과 모듈성 수준을 분석하였다.
• 각 모듈의 功能 기원을 전체 패턴 형성 메커니즘 내 특정 기능 하위기능과 연결지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 네트워크 위상들이 드로소필라 배아 발생에서 분절 성격 패턴 형성 기능을 내성적으로 수행할 수 있는가?
• RQ2 실제 드로소필라 분절 성격 네트워크의 위상은 다른 가능한 위상들에 비해 내성성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 특히 모듈성과 같은 구조적 특징이 가장 내성적인 네트워크 아키텍처를 어떻게 특징짓는가?
• RQ4 네트워크의 기능적 내성은 특정 기능 하위기능과 그들의 모듈형 통합으로 추적될 수 있는가?
• RQ5 내성성 요구 조건이 네트워크 위상의 진화적 탐색을 어느 정도 제약하는가?

주요 결과

• 모든 가능한 네트워크 위상 중에서 기능적 내성이 충분히 확보된 것은 극히 소수에 불과하다.
• 직접 자조절 기능이 제거된 경우를 제외하고, 원시형 드로소필라 분절 성격 네트워크는 가장 높은 내성 위상 순위에 속한다.
• 모든 내성적인 네트워크 위상은 모듈형이며, 패턴 형성 과정의 서로 다른 기능 하위기능에 해당하는 정확히 세 가지 유형의 기능 모듈로 구성되어 있다.
• 이 세 가지 모듈은 세포 결정 기능에 대한 피드백 메커니즘, 신호 전달 기능, 경계 안정화 기능에 대응한다.
• 모듈형 아키텍처는 내성적인 네트워크 설계에서 조합적 다양성을 가능하게 하여 제한적이지만 탄력적인 진화적 환경을 암시한다.
• 기능적 내성은 타당한 위상 공간을 극히 제한된 모듈 조합의 집합으로 줄여내며, 자연은 생물학적 제약 조건 하에서 이를 최적화할 가능성이 높다.