[논문 리뷰] The Origin, Evolution and Development of Bilateral Symmetry in Multicellular Organisms

Eric Werner|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 13.

Protist diversity and phylogeny참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다세포 생물에서 이배성 대칭이 단일 세포에서 출발하여 두 개의 초기 자식 세포에서 상반된 세포 방향성 상태의 에피제네틱 유전을 통해 어떻게 발생하는지 설명하는 계산 모델을 제안한다. 발달 제어 네트워크와 공간적 방향성을 연결함으로써, 이 모델은 대칭성 붕괴, 거울상 발달, 그리고 캄브리아 폭발 기간 동안의 점진적 진화 및 안쪽에서부터 성장하는 구조와 같은 진화적 혁신을 설명한다.

ABSTRACT

A computational theory and model of the ontogeny and development of bilateral symmetry in multicellular organisms is presented. Understanding the origin and evolution of bilateral organisms requires an understanding of how bilateral symmetry develops, starting from a single cell. Bilateral symmetric growth of a multicellular organism from a single starter cell is explained as resulting from the opposite handedness and orientation along one axis in two daughter founder cells that are in equivalent developmental control network states. Several methods of establishing the initial orientation of the daughter cells (including oriented cell division and cell signaling) are discussed. The orientation states of the daughter cells are epigenetically inherited by their progeny. This results in mirror development with the two founding daughter cells generating complementary mirror image multicellular morphologies. The end product is a bilateral symmetric organism. The theory gives a unified explanation of diverse phenomena including symmetry breaking, situs inversus, gynandromorphs, inside-out growth, bilaterally symmetric cancers, and the rapid, punctuated evolution of bilaterally symmetric organisms in the Cambrian Explosion. The theory is supported by experimental results on early embryonic development. The theory makes precise testable predications.

연구 동기 및 목표

• 단일 세포 배아에서 비대칭성이 어떻게 발생하는지에 대한 근본적인 생물학적 문제를 해결하기 위해.
• 좌우 반전, 이형성 생물, 양측 대칭성 암과 같은 다양한 현상을 하나의 발달 메커니즘으로 통합하기 위해.
• 에피제네틱적 대칭성 변환을 통해 캄브리아 폭발 동안 양측체의 급격한 진화적 방사화를 설명하기 위해.
• 계산 모델링과 다에이전트 시스템을 활용하여 초기 배아 발생에서의 대칭성 붕괴를 검증 가능한 프레임워크로 제공하기 위해.

제안 방법

• 단일 세포에서 유래한 두 개의 초기 자식 세포에서 상반된 거울상 방향성 상태를 기반으로 한 양측 발달의 계산 이론을 제안한다.
• 발달 제어 네트워크와 공간 좌표계 간의 연결을 모델링하며, 방향성을 핵심적인 에피제네틱 변수로 사용한다.
• 외부 자극(예: 세균류에 의해 유도되는 유체 흐름)을 통한 '방향성 스위치' 개념을 도입하여 세포 극성은 반전시키되 발달 네트워크 상태는 유지한다.
• 다에이전트 시스템 시뮬레이션을 사용하여 방향성 있는 세포 분열과 신호 전달이 초기 비대칭성을 어떻게 형성하고 계열을 통해 전파하는지 모델링한다.
• 세대 간 세포 방향성과 네트워크 상태 유전을 규명하는 에피제네틱 코드인 '세놈(cenome)'과 '세인(cenes)'을 정의한다.
• 대칭성 변환 이론을 적용하여 안쪽에서부터 성장하는 구조, 대칭성 반전, 부분 대칭 형성과 같은 현상을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전적 차이가 아닌 에피제네틱 메커니즘을 통해 어떻게 단일 대칭성 배아에서 양측 대칭성이 발생할 수 있는가?
• RQ2 방향성 있는 세포 분열과 세균류에 의해 유도되는 유체 흐름은 초기 배아 발생에서 대칭성 붕괴에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 대칭성 반전은 어떻게 안쪽에서부터 성장하는 발달로 이어지며, 이러한 변환에 대한 발달 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 왜 양측체는 캄브리아 폭발 기간 동안 급격한 진화적 다양화를 겪었으며, 이는 에피제네틱적 대칭성 변환으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 세포 방향성은 계열을 거쳐 어떻게 상속되는가? 오른쪽과 왼쪽 신체 반구를 정의하는 분자 마커는 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 두 개의 초기 자식 세포에서 상반된 방향성 상태를 에피제네틱적으로 유전함으로써 거울상 발달이 발생할 수 있음을 입증한다. 이는 그들의 발달 제어 네트워크가 동일할 경우에도 성립한다.
• 조직 배아의 실험 데이터(예: Gardner의 연구)는 2세포 단계에서의 이배성 대칭성이 이 이론의 예측을 지지한다.
• *C. elegans*와 *Drosophila*에서의 방향성 있는 세포 분열, 그리고 지느러미 발달에서의 극성은 공간적 방향성이 대칭성 형성에 기여한다는 실증적 근거를 제공한다.
• 마우스와 인간에서의 좌우 반전 증후군은 왼쪽-오른쪽 축에서 방향성 스위치가 정상적으로 작동하지 않을 경우 발생하는 것으로 설명된다.
• 이론은 방향성 스위치가 작동할 수 있는 것은 전분화된 수용 가능한 상태에 있는 세포에 한해 가능하며, 이는 발달의 정확성을 보장한다.
• 이론은 이배성 암을 대칭성 붕괴 실패의 결과로 설명한다. 이 경우 방향성 조절이 손상되어 양측 반구가 동일하게 발달하게 된다.